Un problème majeur en microélectronique est la contamination moléculaire aéroportée qui dégrade les substrats et les masques diminuant le rendement de production des composants. L'utilisation de boîtes de transport en polymères pour le stockage des substrats favorise la contamination moléculaire croisée entre les deux éléments. Il est alors primordial d'avoir un procédé de décontamination des boîtes efficace et rapide. Dans le cadre de cette thèse, plusieurs solutions de décontamination par plasmas ont été étudiées. Les plasmas étaient générés selon quatre couplages énergétiques en utilisant des excitations radiofréquence (13,56 MHz) et micro-onde (2,45 GHz). Ils étaient caractérisés avec une sonde de Langmuir et un spectromètre optique sous différentes conditions expérimentales. Enfin, un protocole de contamination au fluorure d'hydrogène a été développé pour évaluer et comparer l'efficacité de décontamination des procédés plasma à ceux utilisés actuellement en microélectronique. / Un problème majeur en microélectronique est la contamination moléculaire aéroportée qui dégrade les substrats et les masques diminuant le rendement de production des composants. L'utilisation de boîtes de transport en polymères pour le stockage des substrats favorise la contamination moléculaire croisée entre les deux éléments. Il est alors primordial d'avoir un procédé de décontamination des boîtes efficace et rapide. Dans le cadre de cette thèse, plusieurs solutions de décontamination par plasmas ont été étudiées. Les plasmas étaient générés selon quatre couplages énergétiques en utilisant des excitations radiofréquence (13,56 MHz) et micro-onde (2,45 GHz). Ils étaient caractérisés avec une sonde de Langmuir et un spectromètre optique sous différentes conditions expérimentales. Enfin, un protocole de contamination au fluorure d'hydrogène a été développé pour évaluer et comparer l'efficacité de décontamination des procédés plasma à ceux utilisés actuellement en microélectronique.

Cette thèse analyse certains aspects de la dynamique hors équilibre de systèmes quantiques unidimensionnels lorsqu’ils sont soumis à des champs externes dépendant du temps. Nous considérons plus particulièrement le cas des forçages périodiques, et le cas d’une variation temporelle lente d’un paramètre de l’Hamiltonien qui permet de traverser une transition de phase quantique. La première partie contient une présentation des notions, des modèles et des outils nécessaires pour comprendre la suite de la thèse, avec notamment des rappels sur les modèles quantiques critiques (en particulier sur les chaines de spin et sur le modèle de Bose-Hubbard), le mécanisme de Kibble-Zurek, et la théorie de Floquet. Ensuite, nous étudions la dynamique hors équilibre des gaz de Tonks-Girardeau dans un potentiel harmonique dépendant du temps par différentes techniques : développements perturbatifs, diagonalisation numérique exacte et solutions analytiques exactes basées sur la théorie des invariants dynamiques d’Ermakov-Lewis. Enfin, nous analysons la dynamique hors équilibre des systèmes quantiques ouverts markoviens soumis à des variations périodiques des paramètres du système et de l’environnement. Nous formulons une théorie de Floquet afin d’obtenir des solutions exactes des équations de Lindblad périodiques. Ce formalisme de Lindblad-Floquet est utilisé pour obtenir une caractérisation exacte du fonctionnement en temps fini des machines thermiques quantiques. / This thesis analyzes some aspects regarding the dynamics of one-dimensional quantum systems which are driven out-of-equilibrium by the presence of time- dependent external fields. Among the possible kinds of driven systems, our focus is dedicated to the slow variation of a Hamiltonian’s parameter across a quantum phase transition and to the case of a time-periodic forcing. To begin with, we prepare the background and the tools needed in the following. This includes a brief introduction to quantum critical models (in particular to the xy spin chain and to the Bose-Hubbard model), the Kibble-Zurek mechanism and Floquet theory. Next, we consider the non-equilibrium dynamics of Tonks-Girardeau gases in time-dependent harmonic trap potentials. The analysis is made with different techniques: perturbative expansions, numerical exact diagonalization and exact methods based on the theory of Ermakov-Lewis dynamical invariants. The last part of the thesis deals instead with the non-equilibrium dynamics of markovian open quantum systems subject to time-periodic perturbations of the system parameters and of the environment. This has led to an exact formulation of Floquet theory for a Lindblad dynamics. Moreover, within the Lindblad-Floquet framework it is possible to have an exact characterization ofthe finite-time operation of quantum heat-engines.

Ma motivation lors de mon doctorat fut d'examiner le comportement coopératif dans des systèmes complexes en utilisant les méthodes de la physique statistique et de l'informatique. Le but de mon travail fut d'étudier le comportement critique des systèmes à N corps durant leurs transitions de phase et de décrire de façon analytique leurs caractéristiques universelles, au moyen de calculs numériques. Afin d'y arriver j'ai effectué des études dans quatre sujets différents qui sont présentés dans la dissertation de la manière suivante:<br /><br />Après une brève introduction, j'ai résumé les points capitaux en relation avec les résultats théoriques. J'ai brièvement abordé le sujet des transitions de phase et des phénomènes critiques, de même que la théorie des classes d'universalité et des exposants critiques. Ensuite j'ai introduit les modèles statistiques important qui sont examinés plus tard dans la thèse et j'ai donné une petite description des modèles désordonnés. Dans le chapitre suivant, j'ai tout d'abord mis en avant les définitions de la théorie des graphes dont j'ai eu besoin pour introduire les structures géométriques appliquées et j'ai passé en revue les principales propriétés des réseaux régulières et j'ai défini les conditions de bord généralement utilisées. J'ai terminé ce chapitre avec une petite introduction sur les réseaux complexes. Le chapitre suivant contient les méthodes numériques appliquées que j'ai utilisées au cours des études numériques. J'ai écrit quelques mots sur les méthodes de Monte-Carlo et j'ai introduit l'algorithme d'optimisation combinatoire utilisé, et ses justifications mathématiques. Pour terminer j'ai décrit mes propres techniques pour générer des réseaux sans échelle.<br /><br />Suite à cette introduction théorique les résultats scientifiques ont été présentés de la manière suivante:<br /><br />Le 1er sujet auquel je me suis intéressé est une étude des transitions de phase hors équilibre dans les réseaux sans échelle de longueur, où la distribution des connectivités était ajustée, de telle façon qu'une transition de phase puisse être réalisée même dans les réseaux réalistes ayant un degré exposant γ ≤ 3. Le système hors équilibre étudié était le "contact process" qui est un modèle de réaction-diffusion appartenant à la classe d'universalité de la percolation dirigé.<br /><br />Le deuxième problème que j'ai étudié fut le modèle de Potts aléatoire ferromagnétique avec de grandes valeurs de $q$ sur des réseaux évolutifs sans échelle. Ce problème est équivalent à un problème de coopération optimale, où les agents essaient de trouver une situation optimale, où les bénéfices de coopération de paire (ici les couplages de Potts) et la somme totale du support, qui est la même pour tous les projets (introduite ici comme la température), sont maximisés. Une transition de phase apparaît dans le système entre un état où tous les agents sont corrélés, et un état désordonné à haute température. J'ai examiné ce modèle en utilisant un algorithme d'optimisation combinatoire sur les réseaux de Barabási-Albert sans échelle de longueur avec des couplages homogènes et aussi avec des couplages pondérés par des variables aléatoires indépendantes, suivant une distribution quasi-continue avec différents intensité de désordre.<br /><br />Le troisième problème examiné fut en rapport également avec le modèle de Potts ferromagnétique aléatoire à grand nombre d'états. J'ai examiné la densité critique des amas qui touchent l'un ou l'autre des bords dans une géométrie rectangulaire. Conformément à une prédiction de la théorie conforme je me suis attendu au même comportement que celui dérivé exactement pour la percolation critique dans des bandes infinies. J'ai calculé des moyennes à l'aide de l'algorithme d'optimisation combinatoire mentionné ci-dessus et j'ai comparé les moyennes numériques aux courbes théoriques attendues.<br /><br />Le dernier problème que j'ai étudié fut le modèle antiferromagnétique d'Ising bidimensionnel sur réseau triangulaire à température zéro en l'absence de champ extérieur. Ce modèle a été intensément étudié au cours des deux dernières décennies, dans la mesure où il montre les caractéristiques exotiques à l'équilibre due à la frustration géométrique. Cependant des explications contradictoires ont été publiées dans la littérature à propos du comportement dynamique en hors équilibre, suivant qu'il était caractérisé par une croissance diffusive avec correction logarithmique ou par une dynamique sous diffusives avec des exposants effectifs. Mon but fut de trouver des preuves indépendantes pour l'une des explications et d'examiner le comportement dynamique dans le régime de vieillissement.

Dans ce travail on étudie la dynamique quantique des champs pour des systèmes hors équilibre avec une densité d'énergie non perturbativement grande. Les principales applications des résultats sont les collisions ultrarélativistes d'ions lourds et l'évolution de l'Univers primordial.<br /><br /><br />On utilise la limite de grand N pour résoudre la dynamique du modèle \lambda (\vec \Phi^2)^2. On obtient des solutions analytiques pour plusieurs régimes. On montre que la dynamique est characterisée par des phénomènes de décohérence, resonance paramétrique, restoration de la symétrie, brisure spontanée de la symétrie, instabilités spinodales et création de bosons de Goldstone hors équilibre. On étudie aussi l'évolution de la fonction de corrélation pour laquelle on<br />trouve un comportement de "scalling" généralisé (pour symétrie brisé). Dans le cas où la symétrie est brisée, la masse<br />effective converge asymptotiquement vers zero en absence de champ externe, tandis que dans sa présence la masse carrée est de l'ordre du champ externe.<br /><br /><br />On a étudié aussi la dynamique des champs quantiques dans l'espace-temps FRW de façon consistante. Cela donne un traitement quantique consistant au champ de l'inflaton dans le scénario de l'inflation chaotique face au traitement classique usuel. Ce traitement donne une justification microscopique de l'inflation chaotique classique. On trouve une classe d'états initiaux quantiques (aussi pure comme mélange) qui donnent lieu à une période d'inflation chaotique et on obtient une<br />généralisation quantique des conditions de roulement lente.

Une étude expérimentale du vieillissement des matériaux vitreux,<br />basée sur l'analogie entre verres de spin et verres structuraux, a<br />été réalisée en introduisant une température effective Teff<br />pour ces systèmes faiblement hors équilibre. Cette nouvelle<br />observable se mesure via le rapport fluctuation dissipation.<br /><br />La mesure de Teff sur les propriétés diélectriques d'un verre<br />polymérique (polycarbonate) après une trempe sous la température<br />de transition vitreuse montre que le théorème fluctuation<br />dissipation est fortement violé. L'amplitude et la persistance<br />dans le temps de cette violation sont des fonctions décroissantes<br />de la fréquence. Autour de 1 Hz, elle persiste plusieurs heures.<br />L'origine de la violation semble être due à une dynamique<br />fortement intermittente caractérisée par de grandes fluctuations.<br />Cette intermittence semble dépendre de la vitesse de trempe et de<br />la température d'arrêt. Une interprétation théorique basée sur le<br />modèle en piège permet de rendre compte de cette dynamique.<br /><br />Un comportement intermittent très similaire a été observé pour un<br />verre colloïdal (Laponite) pendant la transition de l'état liquide<br />à l'état solide alors qu'aucune violation ou intermittence n'ont<br />été observées après une trempe lente réalisée sur un autre verre<br />polymérique, le poly(méthyl méthacrylate) (PMMA).<br /><br />Nous présentons également une mesure mécanique préliminaire de la<br />relation fluctuation dissipation sur une tige de polycarbonate à<br />l'aide d'un interféromètre de Nomarski à deux bras.

Ce travail de thèse présente un dispositif expérimental original permettant la mesure, dans des conditions comparables, des fluctuations de l'aimantation d'un échantillon et de sa réponse à un champ magnétique. Une comparaison quantitative permet, via le théorème de fluctuation-dissipation, une mesure absolue de la température lorsque l'échantillon est à l'équilibre thermodynamique. Pour des systèmes vitreux, la "température effective" ---une extension conservant le formalisme du théorème de fluctuation-dissipation de la température pour les système à faible production d'entropie--- est rendue accessible. Un échantillon "verre de spin" ($CdCr_{1,7}In_{0,3}S_4$) aux propriétés vitreuses étudiées depuis de nombreuses années a permis cette mesure. Le régime fortement vieillissant, non-stationnaire, est étudié; la mesure nécessaire des fluctuations thermiques est très délicates (l'amplitude de ces fluctuations correspond à la réponse de l'échantillon à des variations de l'ordre du millionième du champ magnétique terrestre). <br> Les résultats obtenus montrent en premier lieu une dynamique de quasi-équilibre, confirmant des résultats précédents. Le régime fortement vieillissant est maintenant également atteint. Toutefois, les mesures ne peuvent pas être traduites directement en terme de température effective, car expérimentalement, on observe systématiquement la coexistence d'une dynamique stationnaire et de la dynamique de vieillissement. Une analyse par scaling est proposée pour séparer ces deux contributions. Sous réserve de validité de cette analyse, les mesures confirment alors les principales caractéristiques attendues pour la température effective, et notamment son indépendance en fonction de l'âge du système. <br> Les différents modèles connus ne permettent cependant pas d'expliquer complètement toutes les caractéristiques de la température effective mesurée, certaines d'entre elles paraissant encore antinomiques...

Nous présentons une étude théorique de la dynamique hors équilibre d'une large classe de systèmes microscopiques, dont la caractéristique commune est de présenter, dans certaines conditions expérimentales, une relaxation extrêmement lente (`systèmes vitreux'). Nous abordons tout d'abord le problème du vieillissement de ces systèmes en nous attachant à une comparaison quantitative des deux descriptions théoriques que sont (i) les processus de croissance de domaines, (ii) la solution analytique de modèles désordonnés champ moyen de type verres de spin. Nous abordons ensuite le cas ou la dynamique est forcée par une contrainte extérieure. Cette situation est importante en vue des applications (rhéologie des liquides surfondus et des fluides complexes, compaction lente des matériaux granulaires, etc.), et son étude systématique est un des aspects nouveaux de ce travail. Dans ce cadre, nous étudions tout d'abord numériquement l'influence d'un écoulement sur la séparation de phase d'un mélange binaire. Le diagramme des phases (Température, Forcage) des verres structuraux et des verres de spin est ensuite étudié dans l'approximation de champ moyen. Nous envisageons les deux cas d'un forcage constant non-Hamiltonien, puis Hamiltonien mais dépendant du temps. Ces études fournissent une description à la fois microscopique --forme de la relaxation, température effective définie via le théoreme de fluctuation-dissipation--, et macroscopique --courbes d'écoulement, transitions de phase dynamiques. Les principaux résultats sont testés numériquement sur un liquide surfondu et un verre de spin modéles.

Cette thèse a le but d'introduire le concept de l'inertie dans la dynamique dissipative du macrospin. En suivant le travail de T. L. Gilbert dans cette direction, une masse est associée au macrospin, qui n'est pas liée au mouvement d'une masse réelle, mais à l'inertie du macrospin. Comme conséquence, une forme généralisée de l'équation dynamique du Gilbert tenant compte de l'inertie du macrospin est obtenue. A l'échelle d'une nanostructure ferromagnétique, les fluctuations sont relevantes. Le macrospin suit un mouvement Brownien dans l'espace de configuration correspondant (une sphère de rayon Ms). Pour faire une description de la dynamique du macrospin, une simple, rigoureuse et nouvelle théorie, celle de la thermodynamique mésoscopique hors équilibre est utilisée comme alternative au formalisme des processus stochastiques utilisé par W. F. Brown Jr. L'état de l'aimantation est décrit par un nombre de degrés de liberté qui influencent la dynamique du système : l'orientation m de l'aimantation décrite par les angles (θ, φ) et la vitesse u = dm/dt , ou le moment cinétique L. Une fonction de distribution f est introduite liée à la probabilité de trouver l'aimantation dans un état particulier (m, u) ou (m,L). La combination de la définition statistique de l'entropie comme une fonction de la probabilité, avec la méthodologie systèmatique de la thermodynamique hors equilibre résulte dans une théorie puissante décrivant pas seulement la dynamique moyennée du macrospin, mais aussi les fluctuations autour de la moyenne. Donc, une équation généralisée dynamique de Gilbert et une équation généralisée stochastique de Brown sont obtenues avec la théorie MNET. Un temps de relaxation est défini dépendent de l'inertie et du coefficient de dissipation du macrospin. Le comportement de l'aimantation impose deux régimes : un régime inertiel ou des temps courts t << τ , et le régime de diffusion ou des temps longs t >> τ . Un nouveau phénomène, la nutation, est prédite dans le régime inertiel, tandis que l'équation dynamique de Gilbert et l'équation stochastique de Brown sont obtenues aux temps longs. De plus, la question sur l'application de MNET dans le domaine de la spintronique est posée dans le contexte du spin transfer. Un modèle à deux fluides en rotation est présenté pour les spins s des électrons de conduction et les spins d des électrons constituant l'aimantation. Le modèle est intéressant proche de la interface normal-ferromagnet où se trouve accumulation de spin.

Cette thèse est dédiée à l'étude de l'analogue du rayonnement de Hawking dans les condensats de Bose-Einstein. Le premier chapitre présente de nouvelles configurations d'intérêt expérimental permettant de réaliser l'équivalent acoustique d'un trou noir gravitationnel dans l'écoulement d'un condensat atomique unidimensionnel. Nous donnons dans chaque cas une description analytique du profil de l'écoulement, des fluctuations quantiques associées et du spectre du rayonnement de Hawking. L'analyse des corrélations à deux corps de la densité dans l'espace des positions et des impulsions met en évidence l'émergence de signaux révélant l'effet Hawking dans nos systèmes. En démontrant une règle de somme vérifiée par la matrice densité à deux corps connexe, on montre que les corrélations à longue portée de la densité doivent être associées aux modifications diagonales de la matrice densité à deux corps lorsque l'écoulement du condensat présente un horizon acoustique. Motivés par des études expérimentales récentes de profils d'onde générés dans des condensats de polaritons en microcavité semi-conductrice, nous analysons dans un second chapitre les caractéristiques superfluides et dissipatives de l'écoulement autour d'un obstacle localisé d'un condensat de polaritons unidimensionnel obtenu par pompage incohérent. Nous examinons la réponse du condensat dans la limite des faibles perturbations et au moyen de la théorie de Whitham dans le régime non-linéaire. On identifie un régime dépendant du temps séparant deux types d'écoulement stationnaire et dissipatif : un principalement visqueux à faible vitesse et un autre caractérisé par un rayonnement de Cherenkov d'ondes de densité à grande vitesse. Nous présentons enfin des effets de polarisation obtenus en incluant le spin des polaritons dans la description du condensat et montrons dans le troisième chapitre que des effets similaires en présence d'un horizon acoustique pourraient être utilisés pour démontrer expérimentalement le rayonnement de Hawking dans les condensats de polaritons.

Ce travail porte sur la synthèse en phase gazeuse de nanoparticules carbonées par un procédé plasma hors-équilibre. Dans un premier temps, l'étude bibliographique, consacrée aux noirs de carbone et aux nanotubes de carbone, présente les différents procédés existants (conventionnels et plasma) pour leur synthèse en phase gazeuse ainsi que leur mécanisme de croissance. Puis, le développement et la mise en place du procédé plasma hors-équilibre, basé sur l'établissement de décharges non thermiques à haute tension et faible courant, sont décrits. Ensuite, les résultats expérimentaux liés à la caractérisation du procédé sont présentés. Il s'agitessentiellement d'une caractérisation électrique de la torche plasma sans injection de réactif et d'une caractérisation lors d'injection d'hydrocarbure. Cette dernière est basée sur une étude paramétrique et des bilans de matière (taux de conversion estimés à partir de mesures par Chromatographie en Phase Gazeuse, CPG). Les nanoparticules carbonées synthétisées sont caractérisées par Microscopie Electronique à Balayage (MEB) et à Transmission (MET), diffractions de rayons X et analyses BET. Deux principales familles de nanoparticules sont mises en évidenceen fonction de leur texture: (i) les nanoparticules de textures à tendance concentrique tels que les noirs de carbone "classiques", les noirs de carbone de type noirs d'acétylène et les coques carbonées, (ii) les nanoparticules à textures isotropes tels que les "papiers froissés" à haute et faible nanotextures et les nanoparticules "microporeuses". Une corrélation entre les conditions opératoires et les caractéristiques structurales des nanoparticules est présentée. Enfin, la modélisation de cinétique chimique permet d'estimer le volume réactionnel du procédé tandis que la modélisation de l'écoulement dans le réacteur permet d'évaluer le champs de température et de vitesse ainsi que l'histoire thermique des particules dans le réacteur.