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In general, the stability of suspension can be studied using two methods. <i>One</i> is to directly measure the forces between two interacting surfaces in media. <i>The other</i> is to study the interfacial surface free energies of the particles in suspension. Direct surface force measurements were conducted between silica surfaces in octadecyltrimetylammonium chloride (C₁₈TACl) solutions using an Atomic Force Microscope (AFM). The results showed that the hydrophobic force existed in both air-saturated and degassed C₁₈TACl solutions. The attraction decreased with NaCl addition, and was the strongest at the point of charge neutralization (p.c.n.) of silica substrate. The force measurement results obtained in C_nTACl solutions showed that the attractions decayed exponentially and became the maximum at the p.c.n.'s. The decay lengths (<i>D</i>) increased with surfactant chain length. The measured forces were fitted to a charged-patch model of Miklavic <i>et al</i>. (1994) with rather large patch sizes. It was also found that the decay length decreased linearly with the effective concentration of the CH2/CH3 groups raised to the power of -1/2. This finding is in line with the model of Eriksson <i>et al</i>. (1989). It suggested that the long-range attractions are hydrophobic forces originating from the changes in water structure across a hydrophobic surface-solution interface. For the TiO₂/water/TiO₂ system, the Hamaker constant was found to be 4±1×10^-20 J. The force curves obtained in the TiO₂/C_nTACl system showed a repulsion-attraction-repulsion transition with increasing surfactant concentration. The long-range attraction observed between TiO₂ surfaces in C_nTACl solutions reached maximum at the p.c.n., and the decay length increased with chain length. In present work, the thin-layer wicking technique was used to determine the surface free energy (γ_s) and its components of talc samples. The results showed that the basal surfaces of talc are weakly basic while the edge surfaces are acidic. The effect of chemicals on the surface free energies of talc was systemically studied. The results showed that CMC (carboxymethyl cellulose sodium salt) and EO/PO (ethylene oxide/propylene oxide) co-polymers made talc surface hydrophilic by increasing the surface free energies, especially γ^LW and γ^-. SOPA (sodium polyacrylate) increased greatly the zeta-potentials instead of the surface free energies. / Ph. D.

This thesis presents an experimental study of the superconducting proximity effect in sub-micrometer sized ferromagnetic discs. Such discs belong to a class of mesoscopic ferromagnets intermediate between microscopic magnets with dimensions below about 10nm that behave as single giant spins and macroscopic structures that are larger than approximately 1 micrometer where domains are formed to minimise stray fields. The magnetic structure of mesoscopic magnets is strongly dependent on their geometric shape, allowing for purposeful engineering of magnetic structures using modern lithographic techniques. The ground magnetic state of mesoscopic ferromagnetic discs is the magnetic vortex where unusual time-asymmetric triplet superconductivity is predicted to exist and survive up to the non-magnetic coherence length, that is orders in magnitude larger than the ferromagnetic singlet coherence length. Magnetic Force Microscopy (MFM) was used to directly study the magnetic structure of the discs. To detect the proximity effect in the vortices, Andreev interferometers were used with normal parts replaced with mesoscopic ferromagnetic discs in the magnetic vortex state. The samples were fabricated using electron-beam lithography and a modified shadow evaporation technique developed within this project, allowing the whole structure to be made with highly precise alignment, without breaking vacuum and avoiding redundant ferromagnetic elements disturbing the magnetic vortices. Observations were made of superconducting phase periodic oscillations in the conductance of the Andreev interferometers. Such oscillations provide unambiguous evidence of phase coherent electron transport through the ferromagnetic vortex. Finally, further experiments are discussed that would provide a more detailed understanding of the long range proximity effect in SFS junctions.

Approved for public release, distribution is unlimited / This thesis will address the planned configuration of Lockheed Martin's Flight Zero, Module Spiral Alpha Littoral Combat Ship (LCS) and the ongoing development of the SPARTAN SCOUT, one of the Navy's Unmanned Surface Vessels (USV). Technology currently available as well as developmental technologies will be recommended for implementation in order to make the LCS and SCOUT assets to Information Operations (IO) objectives. Specific technology will include Outboard, TARBS, HPM, Loudspeakers, LRAD and Air Magnet. This thesis will include an evaluation of the current policy for authorizing Information Operations missions, specifically in the areas of Psychological Operations (PSYOP) and Electronic Warfare (EW). / Lieutenant, United States Navy

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L'objectif de ce thèse est l'étude des systèmes dynamiques avec interaction à longue portée. La complexité de leur dynamique met en évidence des propriétés contre-intuitives et inattendues, comme l'existence d'états stationnaires hors-équilibre (QSS). Dans le QSS on peut observer des propriétés particulières: chaleur spécifique négative, inéquivalence des ensembles statistiques et phénomènes d'auto-organisation. Les théories des interactions LR ont été appliquées pour décrire la dynamique des systèmes auto-gravitants, de tourbillons bidimensionnels, de systèmes avec interactions onde-particule et des plasmas chargés. Mon travail s'est tout d'abord consacré à l'extension de la solution de Lynden-Bell pour le modèle HMF, en généralisant l'analyse à des conditions initiales de «water-bag" à plusieurs niveaux, qui approchent des conditions initiales continues. En suite je me suis intéressé à la caractérisation formelle de la thermodynamique des QSS dans l'ensemble statistique canonique. En appliquant la théorie standard, il est possible de mesurer une chaleur spécifique "cinétique'' négative. Cette propriété inattendue amène à la violation du second principe de la thermodynamique. Un tel résultat nous pousse à reconsidérer l'applicabilité de la théorie thermodynamique actuelle aux systèmes LR. En suite j'ai étudié, pour le modèle α-HMF, la persistance des caractéristiques typiques du régime LR, dans le limite dynamique à courte portée. Les résultats suggèrent une généralisation de la définition des systèmes LR. Le dernier chapitre est consacré à la caractérisation d'un nouveau modèle LR, extension naturelle du précédent α-HMF et d'intérêt potentiel applicatif. / The scope of this thesis is the study of systems with long-range interactions (LR). The complexity of their dynamics evidences counter-intuitive and unexpected properties, as for instance the existence of out-of-equilibrium stationary states (QSS). Considering a system in the QSS, one may observe peculiar properties, as negative specific heat, statistical ensemble inequivalence and phenomena of self-organizations. The main theories of long-range interactions have been applied to describing self-gravitating systems, two-dimensional vortices, systems with wave-particle interactions and charged plasmas. My work has been initially dedicated to extending the Lynden-Bell solution for the HMF model, generalizing the analysis to multi-level water-bag initial condition that could approximate continuous distributions. Then I concentrated to the formal characterization of the thermodynamics of QSS in the canonical statistical ensemble. By applying the standard theory, it is possible to measure negative “kinetic” specific heat. This latter unexpected property leads to a violation of the second principle of thermodynamics. Such result forces us to reconsider the applicability of the accepted thermodynamic theory to LR systems. Afterwards I studied, in the context of the α-HMF model, the persistence of the typical characteristics of the LR regime in the limit of short-range dynamics. The results obtained suggests a generalization of the definition of LR systems. The last chapter is dedicated to the characterization of a novel LR model, a natural extension of α-HMF and of potential applicability.

Cette thèse comporte deux chapitres principaux. Deux problèmes indépendants de Modélisation Mathématique y sont étudiés. Au chapitre 1, on étudiera le problème de l’existence et de l’unicité des distributions quasi-stationnaires (DQS) pour un mouvement Brownien avec dérive, tué en zéro dans le cas où la frontière d’entrée est l’infini et la frontière de sortie est zéro selon la classification de Feller.Ce travail est lié à l’article pionnier dans ce sujet  par Cattiaux, Collet, Lambert, Martínez, Méléard, San Martín; où certaines conditions suffisantes ont été établies pour prouver l’existence et l’unicité de DQS dans le contexte d’une famille de Modèles de Dynamique des Populations.Dans ce chapitre, nous généralisons les théorèmes les plus importants de ce travail pionnier, la partie technique est basée dans la théorie de Sturm-Liouville sur la demi-droite positive. Au chapitre 2, on étudiera le problème d’obtenir des bornes inférieures optimales sur l’Hamiltonien du Modèle d’Ising avec interactions à longue portée, l’interaction entre deux spins situés à distance d décroissant comme d^(2-a), où a ϵ[0,1).Ce travail est lié à l’article publié en 2005 par Cassandro, Ferrari, Merola, Presutti où les bornes inférieures optimales sont obtenues dans le cas où a est dans [0,(log3/log2)-1) en termes de structures hiérarchiques appelées triangles et contours.Les principaux théorèmes obtenus dans cette thèse peuvent être résumés de la façon suivante:1. Il n’existe pas de borne inférieure optimale pour l’Hamiltonien en termes de triangles pour a dans ϵ[log2/log3,1). 2. Il existe une borne optimale pour l’Hamiltonien en termes de contours pour a dans a ϵ [0,1). / This thesis contains two main Chapters, where we study two independent problems of Mathematical Modelling : In Chapter 1, we study the existence and uniqueness of Quasi Stationary Distributions (QSD) for a drifted Browian Motion killed at zero, when $+infty$ is an entrance Boundary and zero is an exit Boundary according to Feller's classification. The work is related to the previous paper published in 2009 by { Cattiaux, P., Collet, P., Lambert, A., Martínez, S., Méléard, S., San Martín, where some sufficient conditions were provided to prove the existence and uniqueness of QSD in the context of a family of Population Dynamic Models. This work generalizes the most important theorems of this work, since no extra conditions are imposed to get the existence, uniqueness of QSD and the existence of a Yaglom limit. The technical part is based on the Sturm Liouville theory on the half line. In Chapter 2, we study the problem of getting quasi additive bounds on the Hamiltonian for the Long Range Ising Model when the interaction term decays according to d^{2-a}, a ϵ[0,1). This work is based on the previous paper written by Cassandro, Ferrari, Merola, Presutti, where quasi-additive bounds for the Hamiltonian were obtained for a in [0,(log3/log2)-1) in terms of hierarchical structures called triangles and Contours. The main theorems of this work can be summarized as follows: 1 There does not exist a quasi additive bound for the Hamiltonian in terms of triangles when a ϵ [0,(log3/log2)-1), 2. There exists a quasi additive bound for the Hamiltonian in terms of Contours for a in [0,1).

Nous étudions l’influence du champ magnétique aléatoire et des interactions à longue portée sur le comportement critique du modèle d’Ising ; notre approche est basée sur une version non perturbative et fonctionnelle du groupe de renormalisation. Les concepts du groupe de renormalisation non perturbatif sont tout d’abord introduits, puis illustrés dans le cadre simple d’une théorie classique d’un champ scalaire. Nous discutons ensuite les propriétés critiques de cette dernière en présence d’un champ magnétique aléatoire gelé qui traduit le désordre dans le système. Celui-ci est distribué comme un bruit blanc gaussien dans l’espace. Nous insistons principalement sur la propriété de réduction dimensionnelle qui prédit un comportement critique identique pour le modèle en champ aléatoire à d dimensions et le modèle pur (c’est à dire sans champ aléatoire) en dimension d − 2. Bien que cette propriété soit démontrée à tous les ordres par la théorie de perturba- tion, on montre que celle-ci est brisée en dessous d’une dimension critique dDR = 5.13. La réduction dimensionnelle et sa brisure sont alors reliées aux caractéristiques d’échelle des grandes avalanches intervenant dans le système à température nulle. Nous considérons, dans un second temps, une généralisation du modèle d’Ising dans laquelle l’interaction ferromagnétique décroit désormais à longue portée comme r^−(d+σ) avec σ > 0 (d désigne toujours la dimension de l’espace). Dans un tel système, il est possible de travailler en dimension fixée (incluant la dimension d = 1) et de varier l’exposant σ afin de parcourir une gamme de comportements critiques similaire à celle obtenue entre les dimensions critiques inférieure et supérieure de la version à courte portée du modèle. Nous avons caractérisé la transition de phase dans le plan (σ, d), et notamment calculé les exposants critiques en fonction du paramètre σ pour les dimensions physiquement intéressantes d = 1, 2 et 3. Finalement, on s’intéresse aussi à la théorie en présence d’un champ magnétique aléatoire dont les corrélations décroissent à grande distance comme r^−d+ρ avec ρ > −d. Dans le cas particulier où ρ = 2 − σ, on montre que la propriété de réduction dimensionnelle est vérifiée lorsque σ est suffisamment petit, mais brisée à grand σ (en dimension inférieure à dDR ). En particulier, concernant le modèle tridimensionnel, nos résultats prédisent une brisure de réduction dimensionnelle lorsque σ > σDR = 0.71 / We study the influence of the presence of a random magnetic field and of long-ranged interactions on the critical behavior of the Ising model. Our approach is based on a nonperturbative and functional version of the renormalization group. The bases of the nonperturbative renormalization group are introduced first and then illustrated in the simple case of the classical scalar field theory. We next discuss the critical properties of the latter in the presence of a random magnetic field, which is associated with frozen disorder in the system. The distribution of the random field in space is taken as that of a gaussian white noise. We focus on the property of dimensional reduction that predicts identical critical behavior for the random-field model in dimension $d$ and the pure model, \textit{i.e.} in the absence of random field, in dimension d-2. Although this property is found at all orders of the perturbation theory, it is violated below a critical dimension $d_{DR} \approx 5.13$. We show that the dimensional reduction and its breakdown are related to the large-scale properties of the avalanches that are present in the system at zero temperature. We next consider a generalization of the Ising model in which the ferromagnetic interaction varies at large distance like $r^{-(d+\sigma)}$ with $\sigma > 0$ ($d$ being the spatial dimension). In this system, it is possible to obtain a range of critical behavior similar to that encountered in the short-ranged version of the model between the lower and the upper critical dimensions by varying the exponent $\sigma$ while keeping the dimension $d$ fixed (including the case $d=1$).We have characterized the phase transition of this long-ranged model in the plane $(\sigma,d)$ and computed the critical exponents as a function of the parameter $\sigma$ for the physically interesting dimensions, $d=1,2$ and $3$. Finally, we have also studied the long-ranged random-field Ising model when the correlations of the random magnetic field decrease at large distance as $r^{-d+\rho}$ with $\rho > -d$. In the special case where $\rho=2-\sigma$, we have shown that the dimensional-reduction property is satisfied when $\sigma$ is small enough but breaks down above a critical value (when the spatial dimension $d$ is less than $d_{DR}$). In particular, for $d=3$, we predict a breakdown of dimensional reduction for $\sigma_{DR}\approx 0.71$.

La variabilité des mouvements humains est caractérisée par la présence de corrélations à long-terme, ou fluctuations fractales. Cette propriété est associée à des états sains et optimaux, tandis que les états non-optimaux sont associés avec une perte des corrélations à long-terme, devenant plus périodique ou plus aléatoire. Les métronomes isochrones sont largement utilisés pour guider le pas dans des protocoles de réhabilitation de la marche, mais leur utilisation modifie la dynamique des séries de pas qui ne présentent plus de corrélations à long-terme (persistantes) mais deviennent anti-persistante (i.e., corrélations négative). Des hypothèses récentes suggèrent que la synchronisation avec un environnement fractal pourrait induire un appariement de la structure temporelle de l'organisme avec la structure temporelle de l'environnement. L'objectif de cette thèse était de tester des stratégies de synchronisation alternatives préservant la nature fractale des séries temporelles. Différentes expérimentations ont été mises en places, impliquant des coordinations interpersonnelles, de la synchronisation avec des métronomes fractals et du « guidage humain ». De manière générale, nos résultats montrent que les séries comportementales des participants étaient corrélée à celle de l'environnement seulement si celui-ci présente des fluctuations fractales. Les résultats de nos modélisations suggèrent également que les métronomes isochrones et non-isochrones impliquent des réactions comportementales fondamentalement différentes. Nos résultats présentent des perspectives cliniques puisque l'élaboration de protocoles de réhabilitation de la marche utilisant des environnements fractals pourrait permettre de préserver les corrélations à long-terme, marqueurs d'adaptabilité du comportement. / Human movements variability is characterized by the presence of long-range (fractal) correlations. This feature is associated with optimal, healthy states while non-optimal states are associated with a loss of long-range correlations, toward more periodicity or more randomness. Isochronous pacing is widely used for gait rehabilitation, but changes the stride time dynamics from persistent long-range correlations to anti-persistent (negative) correlations. It has been recently argued that synchronization with fractal environment could induce a matching between the organism structure and the environmental structure. The aim of this thesis was to test alternatives pacing strategies preserving the fractal nature of stride time series. Different sets of experiments were run, involving interpersonal coordination, synchronization with non-isochronous metronomes and “human pacing”. Overall our results show that the time series produced by participants were correlated to those of the environment only if the environment presented fractal fluctuations. Our models suggest that isochronous and non-isochronous metronomes imply fundamental different behaviours. Our results have clinical perspectives because the use of fractal environment in rehabilitation protocols could help to preserve long-range correlations, a hallmark of behavioural adaptability.

L’étude des organismes vivants, la biologie, s’étend sur de nombreux domaines et notamment s’applique à comprendre le fonctionnement des êtres vivants. Les organismes les plus complexes comme les êtres Humains possèdent plusieurs niveaux d’organisation : ils sont constitués successivement d’organes, de tissus, de cellules, de biomolécules. On trouve plusieurs types de biomolécules dont les protéines, qui sont comme des minuscules outils qui permettent aux cellules de vivre et d’interagir avec leur environnement. Pour cela, les protéines doivent entrer en contact les unes avec les autres de manière très précise et déterminée. Cette thèse teste l’existence de forces électrodynamiques de longue portée qui leur permettraient d’interagir de manière rapide et guidée, via l’étude de l’absorption ou l’émission de ce type d’onde par des protéines, puis la diffusion de ces protéines en solution pour observer leur comportement. / The study of living organisms, biology, extends over many fields and in particular, applies to understanding the functioning of living beings. The most complex organisms, such as human beings, have several levels of organization: they are made up successively of organs, tissues, cells, and biomolecules. There are several types of biomolecules including proteins, which are like tiny tools that allow cells to live and interact with their environment. To do this, proteins must come into contact with each other in a very precise and determined way. This thesis tests the existence of long-range electrodynamic forces which would allow them to interact in a rapid and guided way, by studying the absorption or emission of this type of wave by proteins, then the diffusion of these proteins in solution to observe their behavior.