Le périodogramme est un outil naturel pour l'analyse spectrale d'une série temporelle stationnaire au second ordre. La littérature sur les séries temporelles en donne grand nombre de propriétés - principalement asymptotiques -, que le signal soit a dependence courte ou longue. Beaucoup de ces resultats font l'hypothese supplementaire de gaussianite. La principale contribution de ce travail est l'extension de nombreux resultats connus aux signaux non-gaussiens. Nous traiterons le periodogramme de l'i.i.d. et donnerons une expression asymptotique de ses moments a tout ordre. Nous montrerons que l'on peut traiter le cas plus général du signal linéaire selon deux méthodes. Soit en s'appuyant sur le résultat précédent et la decomposition de Bartlett, soit en traitant directement le periodogramme du lineaire par developpement asymptotique (developement d'Edgeworth) de sa distribution. La premiere methode conduit a des resultats de type "limite centrale" sur une large classe de tableaux triangulaires de fonctionnelles non-lineaire du periodogramme, alors que la seconde permet des resultats de consistance.

La formation des structures dans l'univers demeure une des interrogations majeures en cosmologie. La croissance des structures dans le régime linéaire, où l'amplitude des fluctuations est faible, est bien comprise analytiquement, mais les simulations numériques à N-corps restent l'outil principal pour sonder le régime "non-linéaire" où ces fluctuations sont grandes. Nous abordons cette question d'un point de vue différent de ceux utilisés couramment en cosmologie, celui de la physique statistique et plus particulièrement celui de la dynamique hors-équilibre des systèmes avec interaction à longue portée. Nous étudions une classe particulière de modèles 1-d qui présentent une évolution similaire à celle rencontrée dans les modèles 3-d. Nous montrons que le clustering spatial qui se développe présente des propriétés (fractales) d'invariance d'échelles, et que des propriétés d'auto-similarité apparaissent lors de l'évolution temporelle. D'autre part, les exposants caractérisant cette invariance d'échelle peuvent être expliqués par l'hypothèse du "stable-clustering". En suivant une analyse de type halos sélectionnés par un algorithme "friend-of-friend", nous montrons que le clustering non-linéaire de ces modèles 1-d correspond au développement d'une éhiérarchie fractale statistiquement viriélisée". Nous terminons par une étude formalisant ue classification des interactions basée sur des propriétés de convergence de la force agissant sur une particule en fonction de la taille du système, plutôt que sur les propriétés de convergence de l'énergie potentielle, habituellement considérée en physique statistique des systèmes avec interaction à longue portée.

L'avènement de l'Internet des Objets a permis de déployer de nombreux réseaux de capteurs sans-fil. Ces réseaux sont utilisés dans des domaines aussi variés que l'agriculture, l'industrie ou la ville intelligente, où ils permettent d'optimiser finement les processus. Ces appareils sont le plus souvent alimentés par des piles ou batteries, ce qui limite leur autonomie. De plus, il n'est pas toujours possible ou financièrement viable de changer ou recharger les batteries. Une solution possible est d'alimenter ces capteurs en récupérant l'énergie présente dans l'environnement alentour. Ces sources d'énergie sont cependant peu fiables, et le capteur doit être capable d'éviter de vider complètement sa réserve d'énergie. Afin de moduler sa consommation d'énergie, le capteur peut adapter sa qualité de service à ses capacités énergétiques. L'appareil peut ainsi fonctionner en continu sans interruption de service. Cette thèse présente les méthodes utilisées pour la conception d'un capteur entièrement autonome alimenté par récupération d'énergie ambiante, communiquant sur un réseau longue portée LoRa. Afin d'assurer l'alimentation électrique, une carte permettant de récupérer de l'énergie depuis plusieurs sources d'énergie simultanément a été conçue. Un module logiciel de gestion d'énergie a ensuite été développé afin de calculer un budget énergétique que le capteur peut dépenser, et choisir la meilleure manière de dépenser ce budget pour exécuter une ou plusieurs tâches. Ce travail a ainsi permis le développement d'un prototype de produit industriel entièrement autonome en énergie. / The advent of the Internet of Things has enabled the roll-out of a multitude of Wireless Sensor Networks. These networks can be used in various fields, such as agriculture, industry or the smart city, where they facilitate fine optimization of processes. These devices are often powered by primary or rechargeable batteries, which limits their battery life. Moreover, it is sometimes not possible or financially viable to change and/or recharge these batteries. A possible solution is to harvest energy from the environment to power these sensors. But these energy sources are unreliable, and the sensor must be able to prevent the complete depletion of its energy storage. In order to adapt its energy consumption, the node can match its quality of service to its energetical capabilities. Thus, the device can continuously operate without any service interruption. This thesis presents the methods used for the conception of a completely autonomous sensor, powered by energy harvesting and communicating through a long range LoRa network. In order to ensure its power supply, a board has been designed to harvest energy from multiple energy sources simultaneously. A power management software module has then been developed to calculate an energy budget the sensor can use, and to choose the best way to spend this budget over one or multiple tasks. This work has enabled the development of an energy autonomous industrial sensor prototype.

Ce mémoire présente les résultats expérimentaux obtenus sur un nuages d'atomes froids de Strontium 88. Une première étude permet l'observation expérimentale inédite d'un système quasi-1D présentant une interaction attractive à longue portée type gravitationnel. Elle provient d'une force attractive due à l'effet d'ombre qui apparaît lors de l'absorption des faisceaux lasers par l'échantillon atomique. Nous avons ainsi retrouvé un profil de densité suivant un cosh^{-2} ainsi qu'une signature sur le mode de respiration du nuage. Une seconde étude est menée sur la transmission cohérente par un nuage de diffuseurs. Des processus de décohérence du champ transmis ont été mis en évidence, faisant ainsi apparaître de nouvelles échelles de temps caractéristiques liées à la température et à l'épaisseur optique du milieu diffusant. Nous avons également fait apparaître l'évolution de la phase entre les champs incident et transmis en fonction de l'épaisseur optique du milieu.

La description de l’évolution à long-terme des systèmes astrophysiques auto-gravitants tels que les disques stellaires, fait aujourd’hui l’objet d’un regain d’intérêt sous l’impulsion de deux développements récents. Cela repose tout d’abord sur le succès de la théorie Lambda-CDM pour décrire la formation des grandes structures et leurs interactions avec le milieu circum-galactique. En outre, de nouveaux développements théoriques permettent maintenant de décrire précisément l’amplification des perturbations extérieures ou internes, et leurs effets sur la structure orbitale d’un système sur les temps cosmiques. Ces progrès complémentaires nous permettent d’aborder la question lancinante des rôles respectifs de l’inné et de l’acquis sur les propriétés observées des systèmes auto-gravitants. Cette thèse est consacrée à la description de ces dynamiques séculaires, notamment lorsque l’auto-gravité joue un rôle important. Deux formalismes de diffusion, externe et interne, seront présentés en détail, et appliqués à différents problèmes astrophysiques. Dans un premier temps, nous étudierons les disques stellaires discrets infiniment fins, et retrouverons la formation d’étroites arêtes d’orbites résonantes en accord avec les observations et les simulations numériques, par le biais de la première mise en oeuvre de l’équation de Balescu-Lenard. Nous considérerons ensuite le mécanisme d’épaississement spontané des disques stellaires sous l’effet du bruit de Poisson. Enfin, nous illustrerons comment ces formalismes permettent également de décrire la dynamique des étoiles orbitant un trou noir supermassif dans les centres galactiques. / Understanding the long-term evolution of self-gravitating astrophysical systems, such as for example stellar discs, is now a subject of renewed interest, motivated by the combination of two factors. On the one hand, we now have at our disposal the well established Lambda-CDM model to describe the formation of structures and their interactions with the circum-galactic environment. On the other hand, recent theoretical works now provide a precise description of the amplification of external disturbances and discreteness noise, as well as their effects on a system’s orbital structure over cosmic time. These two complementary developments now allow us to address the pressing question of the respective roles of nature vs. nurture in the establishment of the observed properties of self-gravitating systems. The purpose of the present thesis is to describe such secular dynamics in contexts where self-gravity is deemed important. Two frameworks of diffusion, either external or internal, will be presented in detail, and applied to various astrophysical systems. This thesis will first investigate the secular evolution of discrete razor-thin stellar discs and recover the formation of narrow ridges of resonant orbits in agreement with observations and numerical simulations, thanks to the first implementation of the Balescu-Lenard equation. The spontaneous thickening of stellar discs as a result of Poisson shot noise will also be investigated. Finally, we will illustrate how the same formalisms allow us to describe the dynamics of stars orbiting a central super massive black hole in galactic centres.

Mon travail traite des propriétés géométriques de domaines présents dans un modèle magnétique simple, le modèle d'Ising. Par domaines nous entendons des régions où les spins prennent des valeurs similaires. En plus des propriétés telles que l'aimantation ou la susceptibilité magnétique, il est intéressant d'étudier la structure des domaines qu'il est naturel de décrire dans le cadre de la percolation. Dans cette thèse je me suis intéressé à plusieurs problèmes liés aux domaines de spins à l'équilibre et hors d'équilibre. J'ai ainsi étudié la dynamique des amas après des trempes critiques ou sous-critiques. Dans le cas de trempes cyritiques, le scaling dynamique a été étudié finement et l'influence des propriétés d'équilibre sur la dynamique mise en avant. Pour les trempes sous-critiques, nous avons considéré comme conditions initiales l'équilibre à une température critique ou infinie. Nous avons montré que dans le cas d'une température initiale critique la probabilité que le système finisse son évolution dans un état avec des bandes est exactement celle qu'un amas percole initialement. Concernant une température initiale infinie nous avons mis en évidence un régime transitoire conduisant le système vers le point critique de percolation. À l'équilibre à la température critique, nous avons obtenu une formule exacte pour la probabilité qu'un amas s'enroule autour d'un système avec des conditions aux bords périodiques. Nous avons aussi étudié le comportement critique du modèle d'Ising avec des interactions à longue portée en nous intéressant au passage des comportements longue portée à courte portée. / In this work I have considered the geometrical properties of the domains found in the Ising model. Those domains are regions where the spins have the same value. In addition to the properties such as magnetisation and magnetic susceptibility, it is interesting to study the domains' structure and this is done naturally within percolation theory. In this thesis, I considered several situations concerning spin domains be it in equilibrium or out of equilibrium. I studied the dynamics of domains after critical or sub-critical quenches. For critical quenches the dynamical scaling has been carefully checked and the influence of the equilibrium properties on the dynamics has been shown. For sub-critical quenches we have considered both critical and infinite temperature initial conditions. We have shown that for critical initial condition the probability that the system ends up in a stripe state is exactly the probability that a spin cluster percolates initially. For the infinite temperature initial condition, we have discovered a transient regime which brings very quickly the system to a state similar to critical percolation. In equilibrium at the critical temperature we obtained an exact formula for the wrapping probabilities of Ising spin clusters on a system with periodic boudary conditions. We have also studied the critical behaviour of the Ising model with long-range interactions with a special interest to the cross-over between the long-range and short-range regimes.

Les interactions à longue portée concernent de nombreux systèmes naturels. Un exemple notable est celui de la gravitation newtonienne qui est pertinent dans le cas de l'étude de systèmes d'étoiles ou d'amas de galaxies. Ces systèmes ont notamment la particularité de ne pas respecter l'additivité des potentiels thermodynamiques et présentent une dynamique dominée par les effets collectifs. Une caractéristique remarquable est qu'après une évolution très rapide, ces systèmes restent piégés dans des états quasi-stationnaires pendant un temps qui peut être extrêmement grand (divergeant avec la taille du système). C'est seulement sur des échelles de temps plus longue que les simulation montre que ces systèmes relaxent à l’équilibre thermodynamique.Les états quasi-stationnaire sont interprétés théoriquement comme les solution stationnaires de l'équation de Vlasov. Cette équation de champs moyen représente un très bonne approximation de la dynamique macroscopique des systèmes en interaction à longue portée dans la limite ou le nombre de particule tend vers l'infini. Dans une premier temps, nous nous attacherons à comprendre, en fonction de la portée de la force de paire et de sa régularisation à court distance, quel est le champs de validité de cette équation, et en particulier, dans quelle cas le phénomène d'état quasi-stationnaire est attendu.Dans une seconde partie, combinant les approches théoriques et numériques, nous étudions la modification de la dynamique des systèmes à longue portée soumis à différentes sortes de perturbation non-Hamiltonienne. La robustesse des états quasi-stationnaires en présence des différentes perturbation est analysée en détails. / Long range interactions concern numerous natural systems. A notable example is the one of the gravitation which is relevant in the case of the study of a stars system or galaxy clusters. In particular, these systems does not respect the additivity of thermodynamical potential and present a dynamics dominated by collective effects. One of the most remarkable feature is that, after a very rapid evolution, these systems remains trapped into quasi-stationary states up to a very long time (diverging with the system size). It is only on longer time scales, that simulations have shown that the system relaxes to thermal equilibrium.Quasi-stationary states are theoretically interpreted as solutions of the Vlasov equation. This mean filed equation represents a very good approximation of the dynamics of long range systems in the limit of a large number of particles. Firstly we give a limit on the validity of the Vlasov equation depending of the range of the pair force and on its short scales regularisation. In a second part, using theoretical an numerical approach, we study the modification of the dynamics of long range systems when subjected to different kinds of non-Hamiltonian perturbations. In particular, the robustness of quasi-stationary states, in presence of this different perturbations is analysed in details.

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 $\sigma_{DR}\approx 0.71$.