Dans cet ouvrage, nous présentons une étude du transport électronique dans un îlot métallique diffusif en contact avec deux électrodes supraconductrices. Nous avons mis au point un nouveau procédé de fabrication qui permet de réaliser ces jonctions niobium – cuivre – niobium avec des interfaces métalliques très transparentes. Les électrodes supraconductrices en niobium présentent alors une température critique proche de celle du supraconducteur massif. En préambule aux mesures de transport nous caractérisons les jonctions longues et diffusives par une étude quantitative théorique et expérimentale du couplage Josephson continu. Quand une tension est appliquée aux bornes de la jonction, la différence de phase entre les deux supraconducteurs oscille à très haute fréquence et la distribution des électrons est portée hors de l'équilibre thermodynamique. Nous mesurons une forte variation de conductance continue de la jonction qui est liée à la relaxation des électrons du métal normal via les collisions inélastiques. Nous avons ensuite réalisé une mesure de la conductance quand la jonction est irradiée avec une onde hyperfréquence. L'ïlot se comporte comme une cavité résonante à la fréquence Josephson. Le couplage de l'onde avec cette cavité fait apparaître les paliers Shapiro quand la tension atteint V=nhw/2e. Ces paliers sont caractéristiques de l'oscillation sinusoïdale du supercourant Josephson. Au-dessus d'une certaine température, il apparaît en plus de nombreux paliers fractionnaires. L'amplitude de ces nouveaux paliers persiste à haut température alors que les paliers Shapiro disparaissent très rapidement. Nous orientons la discussion en terme de contributions hors-équilibre au courant Josephson alternatif.

Dans la fabrication d'un produit, la maîtrise des propriétés physiques des matériaux utilisés est indispensable. Il est donc nécessaire de déterminer leurs propriétés comportementales. On exploite en général des propriétés physiques intermédiaires telles que les propriétés électromagnétiques. Nous avons mis au point une technique de caractérisation sans contact de matériaux non transparents en transposant les concepts de base de l'ellipsométrie optique en hyperfréquence. La caractérisation se fait par résolution d'un problème inverse par deux méthodes numériques : une méthode d'optimisation classique utilisant l'algorithme itératif de Levenberg Marquardt et une méthode de régression par l'uti1isation de réseaux de neurones du type perceptron multicouches. Avec la première méthode, on détermine deux paramètres du matériau sous test à savoir l'indice de réfraction et l'indice d'extinction. Avec la deuxième, on détermine les deux indices ainsi que l'épaisseur de 1'échantillon. Pour la validation, nous avons monté un banc expérimental en espace libre à 30 GHz en transmission et en incidence oblique avec lequel nous avons effectué des mesures sur des échantillons de téflon et d'époxy de différentes épaisseurs (1 à 30 mm). Nous avons obtenu une caractérisation satisfaisante de l'indice et de l'épaisseur. Nous avons ensuite fait des mesures de trois types de papier dont la caractérisation de l'indice était satisfaisante sans toutefois les discriminer. Ces travaux ont montré la possibilité de caractériser des matériaux épais et non transparents par une technique ellipsométrique

Ces travaux portent sur un sujet d'intérêt commun à la physique fondamentale et à la physique appliquée. La stratégie du travail est d'utiliser les matériaux supraconducteurs à haute température critique (SHTc), destinés à une application dans des dispositifs pour la télécommunication, ainsi que les prototypes eux-mêmes de ces dispositifs, en tant qu'échantillons dans des études fondamentales portant sur la dissipation dans le régime des hyperfréquences (hf). On a ainsi pu avancer dans la compréhension du comportement non-linéaire des supraconducteurs dans cette partie du spectre électromagnétique, et, en même temps, développer des stratégies pour l'amélioration des dispositifs. En effet, la dissipation énergétique dans les supraconducteurs entraîne une dégradation du facteur de qualité (lorsqu'il s'agit de filtres ou de résonateurs), et une sévère limitation du nombre de canaux de communication que l'on puisse utiliser dans une certaine bande passante. La dégradation du facteur de qualité de filtres supraconducteurs en YBa2Cu3O7 lorsque ceux-ci sont exposés aux champs électromagnétiques de grande amplitude utilisé dans les télécommunications (GSM, UMTS,...) est due à l'augmentation avec la puissance de la résistance de surface, phénomène pour lequel pléthore d'explications tentatives ont été proposés dans le passé : excitation de quasi-particules par le champ hf, pertes hystérétiques à cause du mouvement des lignes de flux quantifiés, pénétration du flux magnétique hf par de joints de grains, et, enfin, chauffage local de la couche supraconductrice. En utilisant la mesure in-situ de la fréquence de résonance, et par delà, de la constante diélectrique du même résonateur en TiO2 posé sur la couche en YBa2Cu3O7 pour mesurer la résistance de surface, il est montré que dans la plage autour de 10 GHz, c'est l'échauffement local de la couche supraconductrice par le champ électromagnétique hf, et l'augmentation en température qui s'en suit, qui est responsable pour toute non-linéarité observée. Il n'y a donc pas de non-linéarités intrinsèques au supraconducteur qui jouent un rôle : seule la dissipation linéaire et l'effet Joule, avec la prise en compte correcte de la thermique de la couche supraconductrice, permettent de rendre compte des phénomènes. Ce résultat ouvre la voie à de nouvelles stratégies pour l'amélioration de dispositifs hf basés sur des supraconducteurs à haute Tc. Là où les pertes linéaires sont dues aux oscillations nanométrique de lignes de flux présents du à la présence du champ terrestre, l'inclusion d'ouvertures de la taille de quelque dizaine de nm dans la couche pourrait avoir un effet bénéfique. Par ailleurs, un blindage de tout dispositif s'impose. Là ou les pertes sont dues à la nature non-conventionelle de la supraconductivité et l'excitations de quasi-particules proche des nœuds de la bande interdite, on bute sur un problème fondamental. Une extension de cette étude porte sur les résonateurs planaires supraconducteurs. La caractérisation d'une série de résonateurs en YBa2Cu3O7 avec des fréquences propres allant de 500 GHz à 12 GHz montre que dans ce cas aussi, les performances des dispositifs étaient limités par l'échauffement de la couche supraconductrice. A fins de démonstration, une technique est développée ou on utilise un résonateur diélectrique (en TiO2 dans la phase rutile) posé sur le résonateur en YBa2Cu3O7 pour mesurer la température locale du dernier. La résonance de l'YBa2Cu3O7 et du TiO2 sont mesurés à l'aide de deux analyseurs de réseau, fonctionnant dans des plages de fréquence distinctes. Par la modélisation, comme par l'application de la méthode magnéto-optique pour la visualisation directe de la pénétration du flux magnétique dans le résonateur supraconducteur, il est montré que cet échauffement a lieu proche des coins aigus du dispositif, ou la densité de flux et du courant d'écrantage sont exacerbés. Une deuxième version des résonateurs YBa2Cu3O7 où les coins aigus sont éliminés au profit de coins arrondis à permis une amélioration d'un facteur dix de la plage de puissance ou le dispositif peut être utilisé. Cette amélioration a d'ores et déjà été incluse dans une application pour la DGA, et un brevet devrait être déposé.

Ce travail a porté sur les propriétés d'éléments minces de métaux ferromagnétiques étudiées à petite échelle (µm) et à<br />haute fréquence (GHz). Dans ce but, un spectromètre hyperfréquence à antennes micrométriques a été mis au point. Cet<br />instrument a été utilisé pour explorer deux problématiques différentes. Pour un film continu, d'abord, nous avons réalisé des<br />expériences d'émission-réception d'ondes de spin. Ces résultats nous ont permis de caractériser les processus de<br />transduction et de relaxation d'ondes magnétostatiques progressives. Nous avons également étudié des rubans de largeur<br />micrométrique, pour lesquels l'équilibre lui-même est inhomogène. Nous avons interprété leur réponse hyperfréquence en<br />termes de transitions de phase micromagnétiques et en termes de confinement d'ondes de spin.

Les tubes amplificateurs ont été quelque peu oubliés du grand public depuis leur disparition des récepteurs de radio et d'autres équipements à la fin des années 50 et leur remplacement par les composants état solide. Toutefois, il est des régimes de fonctionnement où ils demeurent incontournables, surpassant tous les dispositifs état solide en termes de fréquence de fonctionnement, de puissance, de rendement et de fiabilité. C'est la raison pour laquelle les satellites de télécommunications embarquent à leur bord une centaine de tubes à ondes progressives pourtant lourds et volumineux. Afin de réduire leur poids et leur taille et d'atteindre des rendements encore plus élevés, différents laboratoires étudient des cathodes capables d'émettre un faisceau électronique modulable en hyperfréquence. Les! laboratoires de TRT, de l'Ecole Polytechnique (Nanocarb) et de TED, dans lesquels cette thèse a été préparée, étudient de nouvelles cathodes à émission de champ basées sur des réseaux de nanotubes de carbone. Ce travail de thèse a porté sur l'étude et le développement de méthodes pour moduler directement le faisceau électronique issu de ces cathodes. La croissance de nanotubes de carbone est ici réalisée par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma. Des travaux précédents ont permis de développer et d'optimiser une technologie de croissance de nanotubes individuels orientés verticalement, et d'étudier leurs caractéristiques d'émission en continu. La première partie de cette thèse a consisté à démontrer la modulation de l'émission en utilisant des cavités résonantes qui permettent l'obtention de forts champs électriques hyperfréquence. Nous avons ainsi démontré à une fréquence de 1.5 GHz la modulation d'un courant crête de 30 mA correspondant à une densité de courant de 12 A.cm-2, puis, à 32 GHz, la modulation d'un courant crête de 3.43 mA. Ce sont les premières et les seules modulations hyperfréquence de cathodes à base de nanotubes de carbone publiées à ce jour. Cependant l'utilisation de cavités résonantes limite l'emploi de ces cathodes à des applications bande étroite. La deuxième partie de la thèse a été consacrée au développement d'un nouveau concept de photocathodes basées sur l'association de photodiodes p-i-n et de nanotubes de carbone. L'émission électronique de ces dispositifs est alors commandée par la puissance lumineuse reçue et ne requiert plus de cavité. Le contrôle de la modulation est ainsi rendu compatible large bande. Une première génération de photocathodes à nanotubes de carbone sur p-i-n silicium a permis de montrer la modulation d'un courant de 500 µA avec un taux de modulation de 97% pour une puissance optique absorbée de 12 mW.

Ce travail vise à l'élaboration d'un système d'amplification faible bruit de signaux hyperfréquences sur porteuse optique. Nous avons mené une étude expérimentale de l'amplification Raman dans des fibres optiques monomodes à 1550nm. La configuration contra-propageante -la moins bruitée- permet d'atteindre des gains nets de plus de 25dB, elle s'est aussi montrée plus performante en termes de RIN (relative intensity noise) qu'un EDFA commercial. Une analyse théorique de l'amplification Raman a été conduite dans le domaine spectral afin de quantifier le transfert de RIN de la pompe vers le signal. L'analyse a montré une décroissance de ce transfert à hautes fréquences que l'on considère un laser de pompe monochromatique faiblement modulé ou, à l'opposé, pseudo-incohérent. Par contre, à basses fréquences, le laser de pompe monochromatique faiblement modulé apporte un excès de bruit qui n'est pas présent avec la pompe pseudo-incohérente. Ce type de source de pompe peut donc présenter un intérêt tout particulier pour le développement d'amplificateurs Raman faible bruit pour les liaisons opto-hyperfréquences. Une autre piste envisagée est la réduction du bruit d'émission spontanée amplifiée. Nous avons étudié les moyens à mettre en œuvre pour parvenir à diminuer ce bruit. L'utilisation de deux lasers de pompe de même puissance présentant un faible décalage spectral (devant la largeur de la transition Raman) doit permettre d'atteindre ce résultat. Les descriptions holographique, "optique non linéaire" ou quantique de la diffusion Raman bifréquence indiquent que pour une réduction effective du bruit d'émission spontanée, il faut que les deux pompes soient opposées en amplitude.

Nos travaux ont visé le développement de biocapteurs hyperfréquences microfluidiques pour l'analyse de fluides biologiques et notamment la mesure de glucose en solution aqueuse avec pour contexte applicatif la mesure de la glycémie humaine. Nous présentons dans un premier temps la modélisation du fonctionnement des biocapteurs développés et de l'interaction fluide/champ électrique sous-jacente afin d'en comprendre les mécanismes et d'optimiser les performances en sensibilité des dispositifs. Ces premiers résultats ont nourri la conception et fabrication de nouveaux biocapteurs hyperfréquences résonants microfluidiques. Nous avons validé expérimentalement les capacités en sensibilité et fiabilité de ces dispositifs pour la mesure de glucose à des concentrations physiologiques. Nous avons de plus démontré que l'ajout de constituants comme le chlorure de sodium ne remettait pas en cause les capacités de mesures de fluides complexes (comme le sang) de nos biocapteurs. Enfin, la dernière partie ouvre vers de nouvelles perspectives permises par les techniques hyperfréquences microfluidiques. Nous pointons ici le pouvoir sélectif de la technique rendant possible la mesure, sur un unique échantillon, de la concentration de plusieurs solutés (glucose et chlorure de sodium). Nous démontrons également que la convergence des techniques de conception et microfabrication hyperfréquence microfluidique et des propriétés des techniques de caractérisation hyperfréquence rend possible la mesure simultanée de plusieurs échantillons de liquides.

L'interaction entre électrons de conduction itinérants et électrons localisés dans les hétérostructures magnétiques est à l'origine d'effets tels que le transfert de moment de spin, le pompage de spin ou l'effet Hall de spin. Cette thèse est centrée sur le phénomène de pompage de spin : une couche ferromagnétique (FM) en précession injecte un courant de spin pur dans les couches adjacentes. Ce courant de spin peut être partiellement ou totalement absorbé par une couche, dite réservoir de spin, placée directement en contact avec le matériau ferromagnétique ou séparée par une couche d'espacement. L'absorption de la composante transverse du courant de spin induit une augmentation de l'amortissement de la précession ferromagnétique de la couche libre. Cet effet à été mesuré par des expériences de résonance ferromagnétique avec, pour la couche en précession FM, trois matériaux ferromagnétiques différents (NiFe, CoFeB et Co), et pour la couche de réservoir de spin, différents matériaux paramagnétiques (Pt, Pd, Ru), ferromagnétiques et antiferromagnétiques. Dans un premier temps, nous avons vérifié que le facteur d'amortissement non-local généré est de type amortissement de Gilbert, et qu'il est inversement proportionnel à l'épaisseur de la couche en précession FM. L'analyse de l'augmentation de l'amortissement a été réalisée dans le cadre du modèle de pompage de spin adiabatique proposé par Tserkovnyak et al.. Dans un second temps et suivant ce modèle, nous avons extrait les paramètres de conductance avec mélange de spin à l'interface g↑↓ pour différentes interfaces, ces paramètres déterminent le transport du courant de spin à travers des interfaces ferromagnétique/métal non-magnétique. Un troisième résultat important de cette thèse porte sur la longueur d'absorption du courant de spin dans des matériaux ferromagnétiques et paramagnétiques. Celle-ci varie considérablement d'un matériau à l'autre. Pour les matériaux ferromagnétiques, la longueur d'absorption du courant de spin est linéaire par rapport à l'épaisseur de la couche réservoir de spin, avec pour longueur caractéristique ~ 1 nm. Ce résultat est en cohérence avec les théories antérieures et avec les valeurs de longueur de déphasage de spin pour le transfert de moment de spin dans les matériaux ferromagnétiques. Dans les paramagnétiques tels que Pt, Pd, Ru, la longueur d'absorption est soit linéaire soit exponentielle selon que le réservoir paramagnétique est directement en contact avec la couche en précession ou bien séparé par une couche mince d'espacement en Cu. La longueur caractéristique correspondante est inférieure à la longueur de diffusion de spin. Des mesures complémentaires de dichroïsme circulaire magnétique par rayons X ont révélé une induction de moments magnétiques dans les matériaux paramagnétiques comme Pd, Pt, lorsque couplé directement ou indirectement avec une couche FM. Ce résultat fournit une explication de la dépendance en épaisseur linéaire observée dans les hétérostructures en contact direct. Etant donné que le pompage de spin et le couple de transfert de spin (STT) sont des processus réciproques, les résultats de cette thèse sur la conductance avec mélange de spin, la longueur d'absorption de spin et les moments de spin induits sont également d'un grand intérêt pour les études de transfert de moment de spin, ainsi que d'effet Hall de spin, direct et inverse. L'avantage des études présentées ici réside dans le fait qu'elles sont effectuées sur des couches minces continues, sans aucune étape de nanofabrication.

Au cours de ces dernières années, le développement des capteurs de gaz a connu un essor grandissant pour des applications industrielles, militaires et environnementales afin d’assurer la sécurité et la protection contre les gaz nocifs et toxiques. Ces applications demandent des capteurs sensibles, sélectifs, à faible consommation d’énergie et à faible coût. Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit, s’inscrit dans ce contexte. Il a pour objectif la réalisation d’un capteur hyperfréquence à base de nanotubes de carbone et fabriqué par technologie jet d’encre. Le principe de fonctionnement du capteur repose sur la caractérisation en fréquence d’un résonateur RF, dont un élément est sensible grâce aux nanotubes de carbone, à la présence d’un gaz environnant. Le manuscrit aborde l’ensemble des étapes nécessaires à la réalisation du capteur, à savoir : la conception des dispositifs de test, s’appuyant sur une étude théorique de leur comportement, la caractérisation des matériaux utilisées, la fabrication sur un substrat flexible par une technique d’impression jet d’encre et enfin la caractérisation du capteur de gaz en termes de comportement en fréquence et de sensibilité en présence de gaz. / In recent years, the development of gas sensors has grown rapidly for industrial, military and environmental applications to ensure safety and protection against harmful and toxic gases. These applications require sensitive, selective, low power and low cost sensors. The thesis work presented in this manuscript fits into this context. Its objective is the realization of a microwave sensor based on carbon nanotubes and manufactured by inkjet technology. The operating principle of the sensor is based on the frequency characterization of an RF resonator, one element of which is sensitive, thanks to the carbon nanotubes, to the presence of a surrounding gas. The manuscript addresses all the steps necessary for the realization of the sensor, namely: the design of the test devices, based on a theoretical study of their behavior, the characterization of the materials used, the fabrication on a flexible substrate by inkjet printing technique and finally the characterization of the gas sensor in terms of frequency behavior and sensitivity in the presence of gas.

L’objet de ces travaux de thèse a été de réaliser un système compact et non-invasifde mesure vectorielle de champs électriques. Ce système est dédié aux mesures en espacelibre (diagramme de rayonnement d’antennes) ainsi qu’aux mesures en champ proche(diagnostic de circuits électriques par exemple). Pour ce faire, nous avons proposé unsystème de mesure utilisant d’une part des sondes électro-optique fibrées, dont la partietransductrice est composée d’un guide d’onde en LiNbO3, intégrée dans une cavité Fabry-Pérot. Le cristal non-linéaire induit une modulation de phase d’un faisceau laser de sonde,dépendante du champ électrique à mesurer. La cavité, quant à elle, convertit le signal enmodulation d’amplitude et permet de réduire la taille du capteur grâce à l’augmentationde la longueur effective d’interaction entre l’onde optique et le champ électrique à mesurer.D’autre part l’étude d’un filtrage optique de très grand facteur de qualité associé à unepost-amplification est proposée, dans le but d’accroître d’au moins un ordre de grandeurla sensibilité de mesure. / The aim of this work is to design and realize a compact and non-invasive system dedicatedto vectorial characterization of electric field. The field to be measured can be eitherradiated (for antenna radiation pattern) or guided (for on chip measurement). We herepropose a measurement system including pigtailed electro-optic probe. The transducingdevice is based on a Fabry-Pérot (FP) cavity integrating LiNbO3 waveguide. The nonlinearcrystal induces a phase modulation of a laser probe beam depending on the theelectric field to be characterized. The FP cavity converts the signal into a linear amplitudemodulation and leads to a millimeter sized sensor thanks to the enhancement ofthe effective interactive length between the optical wave and the electric field. The sensorexhibits a sensitivity greater than 0.5 V.m−1.Hz−1/2, a spatial resolution as accurate as100 μm and a frequency bandwidth covering [10 Hz-10 GHz]. Moreover, we here suggesta high quality factor post-filtering of the optical carrier in order to increase the sensitivityof one order of magnitude.