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Le Miscanthus x giganteus est une culture pérenne, nouvellement produite en Europe et présentant un intérêt fort pour son usage énergétique. Son implantation présage donc une réorganisation territoriale pérenne. Pour anticiper cette réorganisation, de nombreuses études modélisent les dynamiques spatialement explicites de son insertion. Notre thèse se positionne dans ce courant de recherche. Celle-ci vise à proposer un nouveau cadre de modélisation des processus de décision des agriculteurs, permettant la dissémination horizontale (scaling out) de ces processus issus d’études de cas, vers des territoires élargis. Pour cela, la thèse exploite le modèle du raisonnement à partir de cas. Elle articule (i) une démarche d’acquisition de connaissances sur les processus de décision des agriculteurs relatifs à l’insertion territoriale du miscanthus et (ii) la conception et évaluation d’un prototype ad hoc de raisonnement à partir de cas. La phase d’acquisition des connaissances montre que le processus d’insertion territoriale du miscanthus est complexe : celui-ci est étroitement lié aux contraintes parcellaires du territoire. Ces connaissances nous conduisent alors à discuter du choix des variables biophysiques et humaines intégrées à ce jour dans les modèles spatialement explicites. La phase de conception et d’évaluation du prototype de raisonnement à partir de cas montre que le modèle du raisonnement à partir de cas est particulièrement bien adapté pour modéliser un phénomène contextualisé. Evalués sur nos données d’enquêtes, ces résultats nous conduisent à discuter des modalités d’application du prototype sur d’autres bassins de production de miscanthus / Miscanthus x giganteus is the perennial crop, newly produced in Europe. Even if miscanthus is not so heavily produced nowadays, this crop would be of great interest for energy use. However, the allocation of miscanthus could produce a sustainable reorganization of the landscape. Therefore, many studies aim to model the land use change caused by miscanthus, in order to identify sustainable supply areas: our research belongs to this field. In our research, we propose a new framework for modeling decision-making process of farmers, relying on scaling out. More accurately, we propose to use the case-based reasoning model which solves problems based on an analogical reasoning. Then our research is structured: (i) by a knowledge acquisition step about decision-making process of farmers, based on farm surveys, conducted in the Côte d'Or department (Burgundy region) and (ii) by the design and evaluation of an ad hoc prototype of case-based reasoning. On the one hand, results of knowledge acquisition phase show that miscanthus allocation process is complex, more accurately, that miscanthus allocation process is closely related to land constraints, particularly in terms of logistic and environmental preservation of plots. These results lead us to discuss the selection of biophysical and human variables included to the current spatially explicit models. On the other hand, the design and evaluation phase of our prototype shows that case-based reasoning is particularly well suited to model a contextual phenomenon. These results lead us to discuss the modalities for implementing the prototype in other production areas of miscanthus

La réussite du développement de vols spatiaux de longue durée, ainsi que de l’établissement de stations permanentes nécessite des systèmes fermés autonomes bien contrôlés. L’optimisation d’une boucle fermée d’un système support vie bio-régénératif, impose le contrôle de l’hydrodynamique et des transferts de chaleur et de masse couplés qui se développent au sein d’un habitacle spatial comprenant des hommes ou des plantes. Un protocole expérimental (expérience terrestre et méthode de mesure) a été conçu pour quantifier les vitesses de l’air et les transferts hétérogènes qui se développent par condensation d’air humide sur une surface plate horizontale de petite taille (25 cm2), en conditions contrôlées (régime d’écoulement, hygrométrie, température). Une surface active était maintenue isotherme sous le point de rosée par thermoélectricité et le flux de masse était mesuré par pesée. Un tunnel climatique a été utilisé pour générer des écoulements laminaires ou faiblement turbulents. Environ 70 expériences de condensation ont été réalisées à température ambiante (19-23°C) avec une humidité relative de 35-65 % et pour des vitesses comprises entre 1.0 et 3.0 m/s. Le dispositif de condensation a un comportement de type profil épais pour l’écoulement et les coefficients de transferts de masse ont été évalués. L’augmentation de l’intensité de l’écoulement se traduit par une dépendance du nombre de Sherwood en Re2/3. Une relation empirique est proposée pour estimer la température de la surface. Le comportement de l’écoulement au sein de la couche limite et de la croissance des gouttes sur la surface de la plaque sont discutées. Ce travail expérimental sera utile pour le développement de modèles théoriques adaptés à d’autres géométries. / For the development of successful long term space flights, and the establishment of permanent bases in space, a well controlled self sustained closed environment is required. In order to optimize a closed-loop bio-regenerative life support system, it is necessary to control the hydrodynamics and the coupled heat and mass transfer, which develop in a space habitat concerned with humans and plants. We have designed a ground based experimental setup and protocol to measure the air flow velocities and concomitant mass transfer by condensation of water vapour from humid air on a horizontal flat plate of small size (area 25 cm2), in a controlled air flow conditions (flow regime, hygrometry, temperature). An active isothermal surface was kept below the dew point, by using thermoelectricity, and precise weighing of the condensate in order to evaluate the rate of mass flux. An air-conditioned closed circuit wind tunnel has been used to produce laminar to weakly turbulent flows. Almost 70 condensation experiments have been performed at an ambient temperature (19-23 °C) for a relative humidity between 35-65 %, and for the velocity range 1.0-3.0 m/s. The condensing unit behaves as a blunt-faced body and mass transfer coefficients were deduced. When increasing the flow intensity it was found that the Sherwood number had a dependence on Re2/3. An empirical relation was proposed to estimate the surface temperature. The flow behaviour within the boundary layer and the analysis of the drop growth on the flat plate surface under weakly turbulent flows has been discussed. This experimental work will be helpful to develop theoretical models for further studies with other geometries.

Symbiosis between bacteria and single celled eukaryotes, such as ciliates and amoebae, is a widespread phenomenon. In the past years, the number of species characterizations of symbiotic bacteria, has constantly grown. Especially members of the order Rickettsiales (Alphaproteobacteria), which comprises obligate intracellular human and animal pathogens as well as other non-pathogenic intracellular species, got into the focus. However, biodiversity of both, protists and associated bacterial symbionts, is still largely underestimated. Thus, I hypothesised that different kind of bacteria occur naturally in the ciliate Paramecium, that paramecia can serve as potential reservoir for human and animal pathogens, and that the species distribution of Paramecium and its endosymbionts shows geographical patterns. In the present thesis, I provide data on the distribution and diversity of Paramecium species and their endosymbionts isolated from freshwater and brackish habitats from North and South America. The most frequent species were Paramecium biaurelia, Paramecium caudatum and Paramecium multimicronucleatum for the North American samples as well as P. multimicronucleatum and Paramecium calkinsi for the South American samples indicating geographical differences in the species distribution of Paramecium between the two continents. Monoclonal cultures were screened for the presence of endosymbionts by fluorescence in situ hybridization (FISH) using universal and specific probes. I detected bacterial endosymbionts belonging to different taxa of Rickettsiales sensu lato in Paramecium-cultures isolated from eight different habitats. Moreover, I characterized the four novel endosymbiont species “Candidatus Fokinia solitaria”, “Candidatus Fokinia cryptica”, “Candidatus Bealeia paramacronuclearis” and “Candidatus Jurandia parameciophila”, respectively, presenting detailed descriptions. Thus, I did not only detect various bacterial symbionts in different host species from two continents, but I also identified bacteria related to human and animal pathogens. Moreover, phylogenetic information provided by the four novel bacterial species helped me to revise the taxonomic organisation of the order Rickettsiales, which I split into the two orders Rickettsiales sensu stricto and Holosporales ord. nov. The importance and severity of a symbiosis for its host can be estimated, among others, by studying the symbionts transmission modes. Most host-symbiont systems in nature show a mixed mode of transmission, even if one transmission type occurs only rarely. Moreover, evolution of exclusively vertically or horizontally transmitted symbionts is scarce. However, circumstances for horizontal transmission of many symbiont species so far described as vertically transmitted, are completely unknown and still need to be revealed. Therefore, I assumed that both, vector organisms and environmental stress, can trigger horizontal transmission. I performed different sets of infection experiments using vector organisms and environmental stress factors as driving forces to trigger horizontal transmission. In experiments focused on vector-induced transmission, I was not able to confirm vector properties of Holospora towards Caedibacter, as described towards food bacteria. However, I rarely observed vector-independent horizontal transmission of Caedibacter taeniospiralis towards symbiont-free Paramecium species. The here tested genotypes of C. taeniospiralis might still take advantage of additional horizontal transmission, even if it occurs rarely. In addition, I tested the effect of salinity and temperature stress on the transmission of the recently described bacterial symbionts “Candidatus Megaira polyxenophila” and “Ca. Bealeia paramacronuclearis” as potentially interesting representatives. The involved symbiont and host genotypes differed in their response to the induced environmental stress. Results of horizontal transmission turned out to be ambiguous. While temperature stress did not show any effect on transmission, salinity stress could possibly induce horizontal transmission of “Ca. Megaira polyxenophila” at slightly increased salinity concentrations in regard to normal conditions indicating the significance of environmental stress for the selection of the preferred transmission mode. / Symbiosen zwischen Bakterien und einzelligen Eukaryoten wie Ciliaten und Amöben sind weitverbreit. In den vergangenen Jahren stieg die Anzahl der Artbeschreibungen symbiotisch lebender Bakterien stetig an. Besonders Vertreter der Ordnung Rickettsiales (Alphaproteobacteria), welche obligat intrazelluläre Menschen- und Tierpathogene sowie andere nicht-pathogene, intrazelluläre Arten beinhaltet, rückten in den Fokus. Die Biodiversität von Protisten und mit ihnen assoziierte, bakterielle Symbionten wird jedoch weitestgehend unterschätzt. Daher untersuchte ich, welche verschiedenen Bakterienarten im Ciliaten Paramecium vorkommen, ob Paramecien als potentielles Reservoir für menschen- und tierpathogene Bakterien dienen können und ob die Artverbreitung von Paramecium und seiner Symbionten geographische Muster aufweist. In der vorliegenden Arbeit, präsentiere ich Verbreitungs- und Diversitätsdaten von Paramecium-Arten sowie deren Endosymbionten, welche aus nord- und südamerikanischen Süß- und Brackwasserproben isoliert wurden. Die am häufigsten erfassten Arten in nordamerikanischen Proben waren Paramecium biaurelia, Paramecium caudatum und Paramecium multimicronucleatum, sowie P. multimicronucleatum und Paramecium calkinsi in südamerikanischen Proben. Die identifizierten Arten weisen auf geographische Unterschiede in der Artverteilung der beiden Kontinente hin. Monoklonale Massenkulturen wurden unter Verwendung universeller und spezifischer Sonden mittels Fluoreszenz in situ Hybridisierung auf das Vorhandensein von Endosymbionten überprüft. Dabei entdeckte ich bakterielle Endosymbionten verschiedener Rickettsiales sensu lato-Vertreter in Paramecienkulturen aus acht verschiedenen Habitaten. Darüber hinaus charakterisierte ich die vier neuen Endosymbiontenarten “Candidatus Fokinia solitaria”, “Candidatus Fokinia cryptica”, “Candidatus Bealeia paramacronuclearis” und “Candidatus Jurandia parameciophila” und lieferte detaillierte Artbeschreibungen. Somit erfasste ich nicht nur verschiedene Symbionten in unterschiedlichen Paramecium-Arten der beiden Kontinente, sondern identifizierte auch Bakterien, welche nahe mit relevanten Pathogenen verwandt sind. Die phylogenetischen Informationen, die mir diese vier neuen Bakterienarten lieferten, halfen mir die taxonomische Organisation der Ordnung Rickettsiales zu revidieren, welche ich in die zwei Ordnungen Rickettsiales sensu stricto und Holosporales ord. nov. aufspaltete. Die Bedeutung einer Symbiose für seinen Wirt kann unter anderem durch die Erforschung der Übertragungswege abgeschätzt werden. Die meisten natürlichen Wirt-Symbionten-Systeme zeigen gemischte Übertragungswege, auch wenn eine der Übertragungsarten nur wenig genutzt wird. Ferner tritt eine Evolution hin zu sich ausschließlich vertikal oder horizontal übertragenden Symbionten selten auf. Die Bedingungen, unter denen eine horizontale Übertragung der meisten sich als vertikal übertragend beschriebenen Symbionten stattfindet, sind unbekannt und müssen nach wie vor untersucht werden. Deshalb legte ich meiner Arbeit die Annahme zugrunde, dass sowohl Vektororganisen als auch Umweltstress eine horizontale Übertragung begünstigen können. Ich führte verschiedene Infektionsexperimente durch, in denen ich die Effekte von Vektororganismen und verschiedener abiotischer Stressfaktoren als potenzielle Auslöser für eine horizontale Übertragung untersuchte. In den Experimenten, die sich mit einer Vektor-induzierten Übertragung beschäftigten, konnte ich keine möglichen Vektoreigenschaften von Holospora gegenüber Caedibacter nachweisen, wie sie gegenüber Futterbakterien bekannt sind. In seltenen Fällen beobachtete ich jedoch eine Vektor-unabhängige, horizontale Übertragung von Caedibacter taeniospiralis auf Symbionten-freie Paramecium-Arten. Die hier getesteten C. taeniospiralis-Genotypen sind möglicherweise immer noch dazu in der Lage, die Vorteile einer zusätzlichen horizontalen Übertragung zu nutzen. Zusätzlich testete ich die Effekte von Salz- und Temperaturstress auf die Übertragung der kürzlich beschriebenen, bakteriellen Symbionten “Candidatus Megaira polyxenophila” und “Ca. Bealeia paramacronuclearis” als potentiell interessante Vertreter. Die getesteten Symbionten- und Wirtsgenotypen unterschieden sich hinsichtlich ihrer Reaktion auf den ausgelösten abiotischen Stress. Die erzielten Ergebnisse zur horizontalen Übertragung erscheinen jedoch nicht eindeutig. Während Temperaturstress keine Effekte auf die Übertragung hatte, führte leichter Salzstress zu einer möglichen horizontalen Übertragung von “Ca. Megaira polyxenophila”, was auf die Bedeutung abiotischer Stressfaktoren bei der Wahl des bevorzugten Übertragungsweges hinweist. / Le simbiosi fra batteri ed eucarioti unicellulari, come i ciliati e le amebe, è un fenomeno molto diffuso. Negli anni passati, il numero di descrizioni di specie di batteri simbionti è cresciuto costantemente. In particolare, sono venuti alla ribalta i membri dell’ordine Rickettsiales (Alphaproteobacteria), che comprende patogeni intracellulari obbligati umani e di animali, oltre ad altre specie di batteri intracellulari non patogeni. Comunque, la biodiversità dei protisti e dei batteri simbionti a loro associati è ancora largamente sottostimata. Perciò, è stato ipotizzato che ci siano diversi tipi di batteri che vivono in associatione con il ciliato Paramecium in natura, che I parameci possano fungere da possibili serbatoi naturali per patogeni umani e animali, e che la distribuzione delle specie di Paramecium e dei suoi simbionti presenti dei pattern geografici. Nel presente lavoro di tesi, sono presentati dati sulla distribuzione e diversità di specie del genere Paramecium e dei loro batteri endosimbionti, isolate da ambienti dulciacquicoli e salmastri dal nordamerica e sudamerica. Le specie più frequenti sono state Paramecium biaurelia, Paramecium caudatum e Paramecium multimicronucleatum per i campioni nordamericani, e P. multimicronucleatum e Paramecium calkinsi per i campioni sudamericani, il che indica differenze geografiche nella distribuzione della specie di Paramecium fra I gue continenti. Colture monoclonali sono state saminate per la presenza di endosimbionti tramite ibridazione in situ a fluorescenza (FISH), impiegando sonde universali e specifiche. Sono stati rilevati batteri endosimbionti appartenenti a diversi taxa di Rickettsiales sensu lato in colture di paramecio isolate da otto diversi habitat. Inoltre, sono state caratterizzate quattro nuove specie di endosimbionti, rispettivamente, “Candidatus Fokinia solitaria”, “Candidatus Fokinia cryptica”, “Candidatus Bealeia paramacronuclearis” e “Candidatus Jurandia parameciophila”), fornendo descrizioni dettagliate. Perciò non solo sono stati caratterizzati diversi batteri simbionti in differenti specie di ospiti da due continenti, ma sono anche stati identificati batteri affini a patogeni umani e animali. I dati filogenetici forniti dalle quattro nuove specie mi hanno permesso di revisionare l’organizzazione tassonomica dell’ordine Rickettsiales, che è stato diviso nei due ordini Rickettsiales sensu stricto e Holosporales ord. nov. L’importanza e la severità di una simbiosi per l’ospite può essere stimata studiando le modalità di trasmissione del simbionte. La maggior parte dei sistemi ospite-simbionte in natura presentano una modalità mista di trasmissione, anche se una tipo di trasmissione avviene solo occasionalmente. Inoltre, l’evoluzione di simbionti trasmessi eclusivamente per via verticale o orizzontale è scarsa. Comunque, le circostanze per la trasmissione orizzontale di molti simbionti finora descritti come trasmessi orizzontalmente sono completamente sconosciute, e necessitano di essere rivelate. Perciò, è stato ipotizzato che sia organismi vettori che stress ambientali possano indurre la trasmissione orizzontali. Sono stati eseguiti diversi set di esperimenti di infezione, impiegando organismi vettori e fattori di stress ambientali come agenti che potessero indurre tramissione orizzontale. In esperimenti incentrati sulla trasmissione indotta da vettori, non è stato possibile confermare capacità di vettore da parte di Holospora nei confronti di Caedibacter, come invece descritto nei confronti di batteri a vita libera. Comunque, in rari casi è stata osservata trasmissione orizzontale di Caedibacter taeniospiralis verso specie di Paramecium indipendente dal vettore. I genotipi testati di C. taeniospiralis potrebbero comunque trarre un vantaggio dalla possibilità alternativa di trasmissione orizzontale, anche se questa avviene solo di rado. Inoltre, è stato testato l’effetto dello stress da salinità e temperatura sulla trasmissione dei batteri simbionti recentemente descritti “Candidatus Megaira polyxenophila” e “Ca. Bealeia paramacronuclearis” come rappresentanti potenzialmente interessanti. I genotipi coinvolti di ospiti e simbionti hanno risposto diversamente a fattori indotti di stress ambientale. I risultati sono stati ambigui in termini di trasmissione orizzontale. Mentre lo stress da temperatura non ha mostrato un effetto sulla trasmissione, è stata rilevata una possibile induzione della trasmissione di “Ca. Megaira polyxenophila” in presenza di basso stress salino rispetto alle condizioni normali, indicando l’importanza degli stress ambientali per la selezione della modalità di trasmissione.

Das Schalten und das Auslesen der magnetischen Ausrichtung einzelner winziger magnetischer Informationsspeicher müssen zu wirklich nanoskopischer Dimension entwickelt werden, um mit der Miniaturisierung von modernen, nanoelektronischen Bauteilen Schritt zu halten. Daher sind neue Konzepte, den magnetischen Zustand von Nanostrukturen elektronisch gezielt zu beeinflussen, derzeitig im Mittelpunkt wissenschaftlicher Untersuchungen. Diese Arbeit befasst sich mit dem zuverlässigen Einstellen der Magnetisierung eines rein horizontal kontaktierten, nanoskopischen Magneten, in zwei stabile Zustände. Ein spinpolarisierter Strom wird bei Raumtemperatur in eine Leiterbahn unterhalb des magnetischen Nanopillars injiziert. Spindiffusion durch den Kontakt zwischen der Leiterbahn (Cu) und dem Pillar (CoFe) ruft eine Spin-Akkumulation im Nanopillar hervor, der durch den Spin Transfer Torque-Effekt (STT) vermittelt wird. Bei diesem Prozess verursachen die akkumulierten Elektronenspins ein auftretendes Netto-Moment, das senkrecht auf die Magnetisierungsorientierung des Nanopillars wirkt und so das Schalten ermöglicht. In den STT-induzierten Schaltexperimenten wird der magnetische Zustand des Nanopillars durch eine bildgebendes Messverfahren mittels Rasterröntgentransmissionsmikroskopie (STXM) erfasst. So konnte gezeigt werden, dass sich die Magnetisierung des Pillars auch gegen das Oersted-Feld des Schaltstroms reversibel schalten lässt. / “Changing and detecting the orientation of nanomagnetic structures, which can be used for durable information storage, needs to be developed towards true nanoscale dimensions for keeping up the miniaturization speed of modern nano electronic components. Therefore, new concepts for controlling the state of nano magnets are currently in the focus of research in the field of nanoelectronics. Here, we demonstrate reproducible switching of a purely metallic nanopillar placed on a lead that conducts a spin-polarized current at room temperature. Spin diffusion across the metal-metal (Cu to CoFe) interface between the pillar and the lead causes spin accumulation in the pillar, which may then be used to set the magnetic orientation of the pillar by means of Spin Transfer Torque (STT). In our experiments, the detection of the magnetic state of the nanopillar is performed by direct imaging via scanning transmission x-ray microscopy (STXM)” [1]. Therefore it could be demonstrated, to reversibly switch the nanopillar’s magnetic state even against the Oersted field which is induced by the switching current. Furthermore we could show, that magnetization switching is possible by a pure spin current that is diffusively transported beneath the nanopillar.

Celui-ci a pour objectif de valider l'ensemble des modèles physiques utilisés dans un code de simulation numérique pour simuler un écoulement de type annulaire dispersé en conduite rencontré lors d'une procédure de lavage à eau utilisé dans les raffineries. Pour ce faire une banque de données expérimentale est mise en place sur des configurations représentatives de celles utilisées en condition industrielle. La géométrie retenue comporte une zone horizontale d'injection rectiligne avec un injecteur central, suivi d'un coude à 90° situé dans un plan vertical. Différentes conditions expérimentales permettent d'étudier l'influence de la vitesse du gaz, de la condition d'injection du brouillard et de la pression sur les différents processus physiques. Ces résultats comprenant des visualisations du brouillard et du film pariétale, des mesures de taille et de distribution de gouttes,des mesures de débit et d'épaisseur de film, sont analysés pour faire ressortir les principaux mécanismes d'interaction entre le gaz et la phase dispersée, le gaz et le film liquide pariétal et la phase dispersée et le film pariétal. En parallèle, des premières simulations, avec une approche RANS, sont réalisées avec le code CEDRE de l'ONERA et les résultats sont confrontés aux mesures. / This work has been realised within a CIFRE contract with TOTAL. Its aim was to validate all the physical models used in a computation, which simulates an annular dispersed flow through a pipe used in a water washing process in refinery plants. That is why, a whole set of data has been gathered using experimental boundary conditions which are representative to those used in industrial configurations. The geometry is made of a horizontal pipe with a centred nozzle followed by a 90º elbow in the vertical plane. Several experimental boundary conditions enable one to study the influence of the gas velocity, the type of the spray injection and the pressure on the different physical phenomena. These results including spray and liquid film visualisations, droplets distribution and size measurements as well as liquid film thickness and mass flow measurements were analysed in order to extract the main interaction mechanism between the gas and the dispersed phase, the gas and the liquid film, and the dispersed phase and the annular liquid film. Meanwhile, simulations using a RANS approach were realized with the ONERA code named CEDRE and its results were compared to the gathered measurements.

Les phases préliminaires du processus de conception sont celles qui influencent le plus le résultat. Elles sont caractérisées par l’incertitude : le processus ne peut être précisément défini à l’avance. L’approche Design Thinking est particulièrement adaptée pour gérer cette spécificité. L’introduction de supports numérique pendant ces phases de conception préliminaire a été identifiée comme une piste de recherche à fort potentiel. L’analyse de ces phases amont a permis de définir des postulats à partir desquels construire ces nouveaux supports numériques. Ces dispositifs sont constitués de deux surfaces tactiles, multi-utilisateurs ; une orientée horizontalement pour favoriser le foisonnement, l’autre orientée verticalement pour favoriser la focalisation. Par conséquence, ces plateformes ont été identifiées avec l’acronyme HOVER (HORizontale VERticale). La méthodologie de recherche comporte deux phases. Lors de la première phase, des expérimentations ont permis de comparer les dispositifs numériques avec les dispositifs actuels. Cette phase avait pour objectif de déterminer si les dispositifs numériques étaient acceptables dans la situation d’usage préconisée. Lors de la deuxième phase, les dispositifs numériques ont été testés dans des situations de travail réelles, afin de déterminer s’ils améliorent ces situations de travail. Ces expérimentations, ont été faites sur une spécifique plateforme HOVER, dénommés plateforme TATIN-PIC (Table Tactile Interactive –Plateforme Intelligente de Conception), construite à l’Université de Technologie de Compiègne. Les quatre expérimentations de la première phase ont révélées un niveau d’acceptabilité satisfaisant. En outre, cette phase permis d’identifier plusieurs pistes d’amélioration notamment au niveau des interactions homme-machines. La prise en compte des données collectées lors de cette phase a conduit à la conception d’une nouvelle version des dispositifs numériques. Cette nouvelle version, dénommée plateforme Digital Project Space (DPS), a été utilisée pour tester le dispositif dans des situations d’utilisation réelles. Les résultats de ces tests préliminaires montrent que les utilisateurs sont satisfaits des améliorations apportées par la plateforme DPS, et que ses performances, sont au pire, comparable aux meilleures prestations des supports papier actuellement disponibles. Des tests complémentaires sont néanmoins nécessaires pour avoir des résultats généralisables. Les perspectives sont de continuer la dissémination des dispositifs DPS dans la sphère productive afin d’obtenir des données quantitatives sur l’efficacité et l’efficience. L’objectif étant d’identifier des modèles prescriptifs de l’impact des dispositifs sur le processus de conception préliminaire. / The early preliminary phases of the design process are the most impactful on the final outcomes. However, they are ill defined, the path to follow is not clear. Design-thinking approaches are a good solution to tackle the incertitude of these phases. The introduction of computer tools during these phases has been identified as an interesting research path to explore. Through the analysis of these early preliminary design phases, a list of high-level assumptions has been made. These high-level assumptions delimited the perimeter of action for the design of a new kind of computer supported design platforms. These platforms are composed of two multi-touch, multi-users surfaces; one is horizontal to favor divergent thinking, while the other is vertical to favor convergent thinking. By this fact, I identified them with then name “HOVER” (HORizontal - VERtical) platforms. The preconized research methodology has two steps. The first step consists in the experimental comparison of the new tool with existing ones. The aim of this evaluation is to determine if HOVER platforms are applicable to the situation for which they have been designed. The second step consists in ethnographic observations of real case studies to establish if HOVER platforms have successfully improved the existing situation. This study has been conducted on a specific HOVER platform, the TATIN-PIC platform (French acronym for Table Tactile Interactive – Plateforme Intelligente de Conception) built at the Université de Technologie de Compiègne. The first step, composed of four quasi-experimental observations, showed a satisfying level of applicability. Besides, it provided multiple indications for the improvement of the HOVER platforms regarding Human Machine interactions. For example, it has confirmed the need for an interconnected vertical and horizontal surface, the need for a natural manipulation of intermediary objects, the need for a smooth circulation among design methods and, as well, the need for new design methods to be implemented. Thanks to these indications, a second version of a HOVER platform has been made. This improved platform, called Digital Project Space (DPS) platform, has been used for success evaluation in a real context. From these preliminary tests emerged that users are satisfied by the support of the DPS platform. Performances are in the worst-case scenario, as good as actual tools. Further and more accurate real case studies are needed to generalize these findings. This outlines the future perspectives, such as the definition of prescriptive models of the impact of such device on the early preliminary design phases. / Le fasi preliminari del processo di progettazione sono caratterizzate dall’incertezza, sia in termini di conoscenza che di azioni da compiere. Al contempo, pero, sono le fasi cruciali per il risultato globale del processo di progettazione. L’approccio Design Thinking è particolarmente adatto per le caratteristiche di queste fasi. L’introduzione di strumenti digitali durante il processo di progettazione preliminare è stata identificata come una pista di ricerca interessante da esplorare. L’analisi di queste fasi ha permesso di emettere una lista di postulati su cui progettare nuovi strumenti digitali. Questa classe di strumenti ha le sembianze di una piattaforma composta da due superfici tattili multi-utilizzatore; una è orizzontale per favorire il pensiero divergente, mentre l’altra è verticale per favorire il processo convergente. A causa di ciò, abbiamo deciso di identificare queste piattaforme con l’acronimo HOVER (HORizontal and VERtical). Il forte divario in termini di curva d’apprendimento tra i dispositivi esistenti (principalmente basati su carta) e le piattaforme HOVER, ha richiesto la definizione di una metodologia di ricerca adeguata. Questa metodologia ha inoltre il compito di garantire un rigore metodologico nell’approccio di ricerca. Due fasi di questa metodologia sono state eseguite. Nella prima fase, il nuovo dispositivo è comparato sperimentalmente con i dispositivi esistenti al fine di determinare se è applicabile alla situazione per cui è stato concepito. Nella seconda fase, il dispositivo è valutato in una situazione reale al fine di determinare se ha apportato, con successo, un miglioramento alla situazione esistente. Questi studi sono stati condotti su una specifica HOVER platform chiamata TATIN-PIC (acronimo francese per Table Tactile Interactive – Plateforme Intelligente de Conception), progettata e construita all’Université de Technologie de Compiègne. La prima fase, che ha visto quattro esperimenti, ha mostrato un livello di applicabilità soddisfacente, ha inoltre fornito molteplici piste di miglioramento in termini d’interazione uomo macchina. Grazie a questi feedback una seconda versione del dispositivo è stata creata. Tale versione, chiamata piattaforma Digital Project Space (DPS) è stata utilizzata per testare il successo del dispositivo in situazioni di reale utilizzo. Da questi test preliminari è emerso che gli utilizzatori sono rimasti soddisfatti dell’apporto fornito dal dispositivo, e che le performance sono nel caso peggiore equivalenti alla situazione attuale. Ulteriori e approfondite osservazioni di uso in situazioni reale sono necessarie per avere dei riscontri generalizzabili. Questo traccia gli scenari per il futuro; continuando la disseminazione nell’ambito industriale del dispositivo, sarà possibile ottenere dei riscontri quantitativi in termini diefficienza ed efficacia, grazie ai quali, estrapolare dei modelli prescrittivi dell’impatto del dispositivo sul processo di progettazione preliminare.

Ce travail porte sur l’étude expérimentale et numérique de l’écoulement des mousses humides dans un canal horizontal droit de section carrée avec ou sans singularités. Il est consacré tout particulièrement à déterminer les paramètres pertinents de l’écoulement dont la chute de pression longitudinale, les champs de vitesse de l’écoulement de mousse en proche parois, les épaisseurs de films liquides minces et épais en paroi et l’évolution de la contrainte pariétale pour une mousse humide dont la fraction gazeuse varie de 55 à 85% et la vitesse débitante de la mousse est 2, 4 puis 6 cm/s. Une fois ces paramètres déterminés en conduite horizontale droite, nous avons ensuite effectué des mesures sur différentes géométries représentant un élargissement brusque, une chicane verticale et écoulement de mousse autour d’un cylindre, dont le but est d’étudier la réorganisation de l’écoulement en vue de déterminer le comportement rhéologique des mousses en écoulement à l’aval et à l’amont des singularités. Finalement, une étude de simulation numérique (CFD) en utilisant les lois de comportement de type Bingham, pour fluides non newtoniens, a été effectuée afin de tester sa capacité de représenter des écoulements type mousse humide dans une conduite horizontale avec ou sans singularités. Nous avons vérifié tout d’abord l’évolution longitudinale de la pression statique qui est linéaire à l’amont comme à l’aval loin des zones influencées par les singularités. La chute de pression singulière reste à peu près constante pour une vitesse débitante donnée de la mousse. À partir de la technique de Vélocimétrie par Image de Particule (PIV), nous avons déterminé les composantes de vitesse au voisinage immédiat des singularités. Ces mesures nous ont permis de mettre en évidence l’existence de différents régimes d’écoulement, et de déterminer la réorganisation et le comportement rhéologique de l’écoulement de mousse autour des géométries étudiées. L’analyse des mesures d’épaisseur de films liquides, obtenues par la méthode conductimétrique, indique que la paroi reste mouillée par un film liquide suffisamment épais pour qu’on puisse appliquer la méthode électrochimique. Les signaux polarographiques obtenus avec la mousse présentent alors de fortes fluctuations. La comparaison de celles-ci avec les contraintes pariétales déduites à partir des mesures de la chute de pression montre bien une bonne concordance. L’étude numérique (CFD), effectuée pour une fraction volumique de gaz égale à 70% et qui s’écoule avec une vitesse débitante de 2 cm/s, montre que le modèle rhéologique de Bingham pourrait être bien adapté à ce genre de mousse humide évoluant en écoulement en bloc. / This work is an experimental and numerical study of aqueous foam flow inside a horizontal square duct, with and without flow disruption devices (fdd). It is especially devoted to determine the pertinent parameters of the flow: longitudinal pressure losses, velocity fields of foam flow near the walls, liquid film thickness (thick and thin), and the wall shear stress evolution, for an aqueous foam with a void fraction range between 55 and 85%, for a mean foam flow velocity of 2, 4 and 6 cm/s. Once they were determined, inside the horizontal channel, we carried out measurements over different geometries: half-sudden expansion, vertical fence and foam flow around a cylinder. The goal was to study the foam flow reorganization to well understand the rheological behavior of aqueous foam flow in the vicinities of different fdd. Finally, a numerical simulation (CFD), using the Bingham behavior model of non-Newtonian fluid, was undertaken to test its capacity to represent the aqueous foam flow inside the horizontal duct with flow disruption devices. First of all, we verified the static longitudinal pressure evolution, which varies linearly upstream and downstream far from the fdd. The singular pressure loss remains constant for a given mean foam velocity and a foam quality (void fraction). From the Particle Imaging Velocimetry (PIV) technique (2D), we determined the two velocity components in the immediate vicinities of the disruption devices. They allowed us to put into evidence the different foam flow regimes and to observe the foam flow reorganization and rheological behavior through the studied fdd. The slip-layer thickness analysis, obtained using the conductimetry method, shows that the wall presents a liquid film thick enough to apply an electrochemical technique (polarography). Thus, the polarographic signals, obtained for the foam flow, present important fluctuations. They were compared to the wall shear stress deducted from the measurement of pressure losses, showing a good similarity between them. The numerical study (CFD), carried out for aqueous foam flow with a void fraction of 70% and a mean foam flow velocity of 2 cm/s, shows that the Bingham rheological model can be adapted to this kind of aqueous foam flow which is flowing like a block.

Das Schalten und das Auslesen der magnetischen Ausrichtung einzelner winziger magnetischer Informationsspeicher müssen zu wirklich nanoskopischer Dimension entwickelt werden, um mit der Miniaturisierung von modernen, nanoelektronischen Bauteilen Schritt zu halten. Daher sind neue Konzepte, den magnetischen Zustand von Nanostrukturen elektronisch gezielt zu beeinflussen, derzeitig im Mittelpunkt wissenschaftlicher Untersuchungen. Diese Arbeit befasst sich mit dem zuverlässigen Einstellen der Magnetisierung eines rein horizontal kontaktierten, nanoskopischen Magneten, in zwei stabile Zustände. Ein spinpolarisierter Strom wird bei Raumtemperatur in eine Leiterbahn unterhalb des magnetischen Nanopillars injiziert. Spindiffusion durch den Kontakt zwischen der Leiterbahn (Cu) und dem Pillar (CoFe) ruft eine Spin-Akkumulation im Nanopillar hervor, der durch den Spin Transfer Torque-Effekt (STT) vermittelt wird. Bei diesem Prozess verursachen die akkumulierten Elektronenspins ein auftretendes Netto-Moment, das senkrecht auf die Magnetisierungsorientierung des Nanopillars wirkt und so das Schalten ermöglicht. In den STT-induzierten Schaltexperimenten wird der magnetische Zustand des Nanopillars durch eine bildgebendes Messverfahren mittels Rasterröntgentransmissionsmikroskopie (STXM) erfasst. So konnte gezeigt werden, dass sich die Magnetisierung des Pillars auch gegen das Oersted-Feld des Schaltstroms reversibel schalten lässt.:Kurzfassung v Abstract vi Danksagung xi 1 Einleitung 1 2 Grundlagen zu Spintronic 5 2.1 Elektronenspins als Grundlage für den Ferromagnetismus . . . . . . 6 2.2 Magnetowiderstandseffekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2.1 Anisotroper Magnetowiderstandseffekt (AMR) . . . . . . . . 8 2.2.2 Riesenmagnetowidersandseffekt (GMR) . . . . . . . . . . . . 10 2.2.3 Tunnelmagnetowiderstandeffekt (TMR) . . . . . . . . . . . 13 2.3 Spin–Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3.1 Spinpolarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3.2 Spin-Injektion und Spin-Akkumulation . . . . . . . . . . . . 17 2.3.3 Spinpolarisierter elektrischer Transport . . . . . . . . . . . . 20 2.4 Spin Transfer Torque (STT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.5 Geometrien für Spintronic–Bauelemente . . . . . . . . . . . . . . . 30 3 Probenkonzept und Fabrikationsmethoden 35 3.1 Probenkonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.1.1 Anforderungen an die CIP–STT-Struktur . . . . . . . . . . . 37 3.1.2 Anforderungen an die ferromagnetischer Materialien . . . . . 38 3.2 Techniken der Probenfabrikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.2.1 Elektronenstrahllithografie (EBL) . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.2.2 Positiv- und Negtivlack Prozess . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.2.3 Physikalisches Ätzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.3 Probenfabrikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4 Experimentelle Methoden 49 4.1 Transmissionsröntgenmikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.1.1 Rastertransmissionsröntgenmikroskopie (STXM) . . . . . . . 51 4.1.2 Kontrastmechanismen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.1.3 Röntgenmagnetischer zirkularer Dichroismus (XMCD) . . . 54 4.2 Magneto-optische Kerr–Effekt Mikroskopie . . . . . . . . . . . . . . 57 4.2.1 Kerr–Mikroskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.2.2 Longitudinale Kerr–Geometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 5 STT–Experimente und Diskussion 61 5.1 Experimenteller Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 5.2 Eigenschaften der magnetischen Bauelemente . . . . . . . . . . . . . 64 5.2.1 MOKE-Mikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 5.2.2 Mikromagnetische Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.2.3 Analytische Berechnung zum Nanopillar . . . . . . . . . . . 70 5.2.4 Röntgentransmissionsmikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.3 Spin Transfer Torque-Schalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 5.3.1 STT-Schalten mit unterstützendem Magnetfeld . . . . . . . 74 5.3.2 STT-Schalten ohne unterstützendes Magnetfeld . . . . . . . 79 5.3.3 Betrachtung besonderer experimenteller Aspekte . . . . . . . 81 5.3.4 STT-Schalten ohne direkten Ladungstransport . . . . . . . . 89 5.3.5 Magnetisierungsumkehr durch Oersted-Feld . . . . . . . . . 93 6 Zusammenfassung und Ausblick 97 A STXM-Hysteresemessungen der Polarisatoren und Nanopillar 101 Literaturverzeichnis 105 / “Changing and detecting the orientation of nanomagnetic structures, which can be used for durable information storage, needs to be developed towards true nanoscale dimensions for keeping up the miniaturization speed of modern nano electronic components. Therefore, new concepts for controlling the state of nano magnets are currently in the focus of research in the field of nanoelectronics. Here, we demonstrate reproducible switching of a purely metallic nanopillar placed on a lead that conducts a spin-polarized current at room temperature. Spin diffusion across the metal-metal (Cu to CoFe) interface between the pillar and the lead causes spin accumulation in the pillar, which may then be used to set the magnetic orientation of the pillar by means of Spin Transfer Torque (STT). In our experiments, the detection of the magnetic state of the nanopillar is performed by direct imaging via scanning transmission x-ray microscopy (STXM)” [1]. Therefore it could be demonstrated, to reversibly switch the nanopillar’s magnetic state even against the Oersted field which is induced by the switching current. Furthermore we could show, that magnetization switching is possible by a pure spin current that is diffusively transported beneath the nanopillar.:Kurzfassung v Abstract vi Danksagung xi 1 Einleitung 1 2 Grundlagen zu Spintronic 5 2.1 Elektronenspins als Grundlage für den Ferromagnetismus . . . . . . 6 2.2 Magnetowiderstandseffekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2.1 Anisotroper Magnetowiderstandseffekt (AMR) . . . . . . . . 8 2.2.2 Riesenmagnetowidersandseffekt (GMR) . . . . . . . . . . . . 10 2.2.3 Tunnelmagnetowiderstandeffekt (TMR) . . . . . . . . . . . 13 2.3 Spin–Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3.1 Spinpolarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3.2 Spin-Injektion und Spin-Akkumulation . . . . . . . . . . . . 17 2.3.3 Spinpolarisierter elektrischer Transport . . . . . . . . . . . . 20 2.4 Spin Transfer Torque (STT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.5 Geometrien für Spintronic–Bauelemente . . . . . . . . . . . . . . . 30 3 Probenkonzept und Fabrikationsmethoden 35 3.1 Probenkonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.1.1 Anforderungen an die CIP–STT-Struktur . . . . . . . . . . . 37 3.1.2 Anforderungen an die ferromagnetischer Materialien . . . . . 38 3.2 Techniken der Probenfabrikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.2.1 Elektronenstrahllithografie (EBL) . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.2.2 Positiv- und Negtivlack Prozess . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.2.3 Physikalisches Ätzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.3 Probenfabrikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4 Experimentelle Methoden 49 4.1 Transmissionsröntgenmikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.1.1 Rastertransmissionsröntgenmikroskopie (STXM) . . . . . . . 51 4.1.2 Kontrastmechanismen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.1.3 Röntgenmagnetischer zirkularer Dichroismus (XMCD) . . . 54 4.2 Magneto-optische Kerr–Effekt Mikroskopie . . . . . . . . . . . . . . 57 4.2.1 Kerr–Mikroskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.2.2 Longitudinale Kerr–Geometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 5 STT–Experimente und Diskussion 61 5.1 Experimenteller Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 5.2 Eigenschaften der magnetischen Bauelemente . . . . . . . . . . . . . 64 5.2.1 MOKE-Mikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 5.2.2 Mikromagnetische Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.2.3 Analytische Berechnung zum Nanopillar . . . . . . . . . . . 70 5.2.4 Röntgentransmissionsmikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.3 Spin Transfer Torque-Schalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 5.3.1 STT-Schalten mit unterstützendem Magnetfeld . . . . . . . 74 5.3.2 STT-Schalten ohne unterstützendes Magnetfeld . . . . . . . 79 5.3.3 Betrachtung besonderer experimenteller Aspekte . . . . . . . 81 5.3.4 STT-Schalten ohne direkten Ladungstransport . . . . . . . . 89 5.3.5 Magnetisierungsumkehr durch Oersted-Feld . . . . . . . . . 93 6 Zusammenfassung und Ausblick 97 A STXM-Hysteresemessungen der Polarisatoren und Nanopillar 101 Literaturverzeichnis 105

Active Approaches provide chances for individual, comprehension-oriented learning and can facilitate the acquirement of general mathematical competencies. Using the example of pinboards, which were developed for different areas of the secondary level, workshop participants experience, discuss and further develop learning tasks, which can be used for free activities, for material based concept formation, for coping with heterogeneity, for intelligent exercises, as tool for the presentation of students’ work and as basis for games. The material also allows some continuous movements and can thus prepare an insightful usage of dynamic geometry programs. Central Part of the workshop is a work-sharing group work with learning tasks for grades 5 to 8. The workshop will close with a discussion of general aspects of material-based learning.