Nous avons étudié des systèmes hybrides supraconducteurs/ métal normal balistiques dont la partie normale est une hétérojonction GaAs/AlGaAs, et la partie supraconductrice de l'indium. C'est un système qui permet, grâce à la grande cohérence de phase et la possibilité d'utiliser des grilles, d'envisager la manipulation de paires corrélées dans la partie normale : une nouvelle approche de bits quantiques.<br />Nous avons mis au point un procédé de fabrication de jonctions S/N de très bonnes transparences, avec des dimensions mésoscopique, en faisant diffuser de l'indium. Le problème essentiel est lié à l'inhomogénéité de la diffusion de l'indium. Nous avons caractérisé l'interface par différents types de mesures de transport à très basses températures. Nous avons montré, d'une part que l'indium diffuse de façon directionnel, d'autre part, qu'il ne s'agit ni d'une jonction diffusive ni d'une jonction sale, mais d'une barrière tunnel dont seul un faible nombre de canaux participent à la conduction. Nous avons mis en évidence la présence d'une zone de désordre près de l'interface qui s'étend sur quelques centaines de nanomètres. La présence de filaments d'indium diffusés a été corroborée par l'observation sur des jonctions courtes d'un super courant porté par ces filaments. Nous avons enfin fait une première tentative de manipulation de paires de Cooper à l'aide d'un QPC : nous avons observé des plateaux de conductance en fonction de la tension de grille dont la hauteur est divisée par deux lorsqu'on applique un faible champ magnétique>

Lors de l'élaboration de pièces métalliques de grandes dimensions, la présence interne de pores est habituellement observée. Ces défauts internes sont généralement refermés lors des premières passes de transformation à chaud. Il y a cependant à l'heure actuelle un manque de connaissance sur les mécanismes mis en jeu lors de cette refermeture, et par conséquent aucune prédiction précise possible et un taux de rebut assez important. Le travail présenté dans ce manuscrit vise à mieux comprendre les mécanismes de refermeture en identifiant les paramètres procédés, matériaux et morphologiques clés lors de la refermeture. Ce travail s'est déroulé dans le cadre d'un consortium industriel impliquant six partenaires. La problématique industrielle est donc particulièrement variée en termes de matériaux, de procédés et d'états initiaux de pores.Une étude approfondie des modèles existants dans la littérature est d'abord présentée. Les deux familles d'approches utilisées sont discutées : l'approche explicite en champ complet, et l'approche micro-analytique. Il est montré que ces deux approches ne sont pas suffisantes pour établir un modèle de prédiction dont la précision réponde aux enjeux industriels.Une nouvelle approche est donc proposée dans cette thèse à l'échelle mésoscopique. Les mécanismes de refermeture sont étudiés à l'échelle d'un volume élémentaire représentatif (VER), permettant une description 3D particulièrement précise des mécanismes locaux, tout en appliquant des conditions aux limites représentatives des états mécaniques mis en jeu à l'échelle macroscopique.Les mécanismes locaux ont été étudiés au moyen d'une vaste campagne de simulations éléments-finis 3D à l'échelle d'un VER. Les paramètres étudiés sont : les paramètres matériaux, la morphologie du pore, et le chargement thermomécanique subit durant la déformation. L'étude a montré que la morphologie et l'état de contraintes sont de premier ordre sur le comportement en refermeture, et que les paramètres matériaux sont de second ordre. Les influences des paramètres de premier ordre ont ensuite été quantifiées afin de proposer un modèle de prédiction de refermeture robuste. La morphologie du pore est exprimée par le biais de ses dimensions équivalentes (rapports d'élongations tridimensionnels) et de son orientation par rapport à la direction principale de déformation. L'état de contraintes est exprimé par le taux de triaxialité des contraintes.Le modèle a finalement été implémenté dans un code éléments finis de mise en forme et une validation sur cas industriels est présentée afin d'évaluer les bénéfices obtenus par ce nouveau modèle par rapport aux modèles de la littérature. Une validation expérimentale a également été menée par le biais d'essais d'écrasements d'échantillons poreux dont l'état de porosité a été mesuré par micro-tomographie aux rayons X avant et après les essais.

Au cours de la phase de préformage, le renfort sec peut être soumis à plusieurs déformations : la tension, le cisaillement mais aussi la compression. Si les deux premières déformations ont été bien explorées dans plusieurs études ces dernières années, ce n'est pas le cas de la compression. Pourtant, ce type de déformation affecte de manière importante la perméabilité du renfort lors de l'injection de la résine, car il change la porosité du renfort tant au niveau de la forme qu'au niveau de la dimension. La présente thèse propose d'étudier le comportement du renfort en compression et l'influence de cette déformation sur la perméabilité. Pour cela, des essais de compression sont menés pour étudier l'impact de la compaction sur la déformation globale du renfort ainsi que des différents facteurs susceptibles de l'affecter. Parallèle aux essais expérimentaux, des simulations numériques à l'échelle mésoscopique par éléments finis ont été mises en place. Les simulations réalisées sont validées à partir des essais mécaniques. Les géométries déformées obtenues par les simulations mécaniques ont été ensuite traitées par une chaîne de maillage pour l'obtention d'un maillage 3D régulière d'un VER fluide. La prédiction de la perméabilité du renfort tissé est réalisée en résolvant les équations de Stokes et Brinkman et l'utilisation de l'homogénéisation sur le maillage décrit précédemment

Pour optimiser les structures des aéronefs, il est maintenant nécessaire de concevoir le matériau au " juste-besoin ", de façon à diminuer le ratio masse/performances. Par une bonne gestion du procédé de fabrication et un choix judicieux des matériaux constitutifs, les composites à renfort tissé et à matrice organique ont ce potentiel. Mais pour l'exploiter pleinement, de nouvelles approches adaptées à ce type de matériau doivent être développées. Pour cela, une chaîne de calcul multimodèle est proposée, permettant de prévoir les propriétés mécaniques élastiques saines ou endommagées du matériau à partir de ses paramètres de conception. Cette chaîne est établie à l'échelle mésoscopique, pour pouvoir prendre en compte la géométrie du renfort. Une procédure spéciale de création de maillages de cellules mésoscopiques de composites tissés a été développée, de façon à faire le lien entre la déformée du renfort après mise en forme, obtenue par simulation EF, et les autres modèles de la chaîne (injection de résine, cuisson du composite, comportement mécanique). Le bon fonctionnement de l'approche est montré par l'étude de deux cas-tests, un renfort de quatre plis de taffetas et un renfort de quatre plis de satin de 5, chacun compactés à différents niveaux et selon plusieurs configurations d'imbrication de plis. Enfin, pour anticiper la validation de la chaîne de modélisation, une étude expérimentale comparative entre plusieurs composites tissés compactés à différentes épaisseurs a été menée. Ce travail se place dans le cadre de la construction future d'une chaîne multiéchelle plus globale qui, parcourue dans le sens inverse, permettra de concevoir le matériau sur-mesure en fonction des performances structurales locales désirées.

Ce mémoire de thèse s'intéresse au comportement du béton sous chargement triaxial sévère. L'étude est réalisée dans le contexte plus général de la compréhension du comportement du béton sous impact, ce qui induit des états de contraintes triaxiales de très haute intensité. Afin de reproduire des niveaux de contraintes très élevés avec des chemins de chargement bien contrôlés, des essais triaxiaux statiques sont réalisés sur des échantillons de béton au moyen d'une presse triaxiale de très grande capacité. Nous nous sommes intéressés à l'influence des granulats, qui occupent environ 40% du volume du béton. Plus précisément, les effets de la forme et de la composition chimique des granulats sont étudiés pour des compression triaxiale entre 0 et 650 MPa de confinement . On considère à la fois la réponse macroscopique et les modes de rupture. La forme des granulats semble peu influencer le comportement du béton, alors que les effets de leur composition sont assez importants, quelque soit le confinement. La deuxième partie de la thèse est consacrée à une modélisation numérique du béton. L'objectif principal de ce travail numérique est de développer un modèle très simple en termes de lois d'interaction et d'introduire l'hétérogénéité du béton au niveau mésoscopique. Un modèle mésoscopique du béton est ainsi établi dans le cadre des éléments discrets. On étudie l'influence des propriétés des granulats et de l'interface graulats/mortier sur les courbes contrainte-déformation et les mécanismes d'endommagement. D'autre part, l'influence des vides est étudiée en utilisant des échantillons mono-phasiques avec différentes caractéristiques des vides. Un comportement complexe non linéaire, résultant de la présence, des vides est observé. Par ailleurs, les résultats numériques complètent, et permettent de mieux comprendre, les résultats expérimentaux.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet européen 3D-LightTrans ayant pour objectifs la fabrication à grande à échelle et à bas coût de pièces composites. Pour parvenir à ces objectifs, des semi-produits sous forme de tissus 3D de mèches comélées ont été réalisés. Le but de ces travaux est de caractériser le comportement mécanique de ces tissus en vue d’analyser leur formabilité et d’être en mesure de prédire leur comportement pendant les processus de mise en forme utilisés lors de la fabrication des pièces composites. Le premier objectif de ces travaux était de caractériser expérimentalement le comportement mécanique des tissus 3D. Après avoir effectué un état de l’art ayant permis de définir les types et paramètres d’essais à utiliser pour la caractérisation du comportement des tissus, l’analyse des résultats de ces différents essais a permis de mettre en évidence les spécificités du comportement des tissus 3D. Le deuxième objectif des travaux était de modéliser le comportement des tissus par une approche numérique. Le choix s’étant porté sur une approche à l’échelle mésoscopique, le comportement mécanique des mèches comélées a été caractérisé expérimentalement. Les limitations du logiciel GeoFab quant à son utilisation pour la génération de modèles CAO de mailles élémentaires de tissus 3D ont été identifiées. Des améliorations permettant de répondre à ces limitations ont été proposées et leur faisabilité démontrée. Un modèle CAO d’une sous partie de la maille élémentaire d’un des tissus a alors été généré. Après avoir modélisé le comportement des mèches comélées en se basant sur les résultats de leur caractérisation expérimentale, des premières simulations éléments finis ayant permis d’obtenir des résultats encourageants ont été réalisés. / This thesis is part of the European project 3D-LightTrans whose objectives are the large scale and low-cost manufacturing of composite parts. To achieve these goals, semi-finished products in the form of 3D fabrics of commingled yarns were produced. The purpose of this work is to characterize the mechanical behavior of these fabrics in order to investigate their formability and be able to predict their behavior during the forming processes used for the manufacturing of composite parts. The first objective of the work was to characterize experimentally the 3D fabrics mechanical behavior. A state of the art was realized in order to define the types and test parameters to use. The analysis of these test results allowed to highlight the specific 3D fabrics mechanical behaviour. The second objective of the work was to model the fabrics behavior using a numerical method. A mesoscopic scale approach having been selected, experimental characterization of the commingled yarns mechanical behavior was necessary. Then, GeoFab software limitations on its use for the generation of CAD models of 3D fabrics unit cells were identified. Improvements to address these limitations have been proposed and their feasibility was demonstrated. A CAD model of a sub part of one of the fabrics unit cell was then generated. After having modeled the commingled yarns behaviour using experimental results, finite element simulations were performed on fabric CAD model and first encouraging results were obtained.

Pour optimiser les structures des aéronefs, il est maintenant nécessaire de concevoir le matériau au « juste-besoin », de façon à diminuer le ratio masse/performances. Par une bonne gestion du procédé de fabrication et un choix judicieux des matériaux constitutifs, les composites à renfort tissé et à matrice organique ont ce potentiel. Mais pour l’exploiter pleinement, de nouvelles approches adaptées à ce type de matériau doivent être développées. Pour cela, une chaîne de calcul multimodèle est proposée, permettant de prévoir les propriétés mécaniques élastiques saines ou endommagées du matériau à partir de ses paramètres de conception. Cette chaîne est établie à l’échelle mésoscopique, pour pouvoir prendre en compte la géométrie du renfort. Une procédure spéciale de création de maillages de cellules mésoscopiques de composites tissés a été développée, de façon à faire le lien entre la déformée du renfort après mise en forme, obtenue par simulation EF, et les autres modèles de la chaîne (injection de résine, cuisson du composite, comportement mécanique). Le bon fonctionnement de l’approche est montré par l’étude de deux cas-tests, un renfort de quatre plis de taffetas et un renfort de quatre plis de satin de 5, chacun compactés à différents niveaux et selon plusieurs configurations d’imbrication de plis. Enfin, pour anticiper la validation de la chaîne de modélisation, une étude expérimentale comparative entre plusieurs composites tissés compactés à différentes épaisseurs a été menée. Ce travail se place dans le cadre de la construction future d’une chaîne multiéchelle plus globale qui, parcourue dans le sens inverse, permettra de concevoir le matériau sur-mesure en fonction des performances structurales locales désirées. / In order to optimize aeronautic structures, the manufacturing process must be tailored to the structural needs, with the aim of reducing the density/performance ratio. Polymer composites with woven reinforcements offer a large flexibility due to a vast choice of constituent materials and manufacturing process parameters. However, to entirely exploit their potential, new design methods specifically adapted to this type of material have to be developed. For this purpose, a modeling chain is proposed, which is able to predict the elastic properties of the intact or damaged material, by incorporating the manufacturing process parameters. The chain is built at the mesoscopic scale, to take into account the reinforcement geometry. A special procedure to generate finite element (FE) meshes of mesoscopic representative unit cells of woven composites has been developed, which links the deformation of the reinforcement, obtained from FE calculations, to the other models of the chain (resin injection, curing, and mechanical behavior). Two materials are studied to show the potential of the modeling chain: A four ply lay-up of a plain weave and of a satin weave fabric are considered, each of them having several compaction ratios and different nesting between the plies. With the aim of a validation of the modeling chain, multi-instrumented experimental tests have been carried out on several multi-layer plain weave composites with different thicknesses. In future applications, the proposed strategy will be placed in a toolbox able to design optimum woven composite structures based on local performance requirements.

Au cours de la phase de préformage, le renfort sec peut être soumis à plusieurs déformations : la tension, le cisaillement mais aussi la compression. Si les deux premières déformations ont été bien explorées dans plusieurs études ces dernières années, ce n’est pas le cas de la compression. Pourtant, ce type de déformation affecte de manière importante la perméabilité du renfort lors de l’injection de la résine, car il change la porosité du renfort tant au niveau de la forme qu’au niveau de la dimension. La présente thèse propose d’étudier le comportement du renfort en compression et l’influence de cette déformation sur la perméabilité. Pour cela, des essais de compression sont menés pour étudier l’impact de la compaction sur la déformation globale du renfort ainsi que des différents facteurs susceptibles de l’affecter. Parallèle aux essais expérimentaux, des simulations numériques à l’échelle mésoscopique par éléments finis ont été mises en place. Les simulations réalisées sont validées à partir des essais mécaniques. Les géométries déformées obtenues par les simulations mécaniques ont été ensuite traitées par une chaîne de maillage pour l’obtention d’un maillage 3D régulière d’un VER fluide. La prédiction de la perméabilité du renfort tissé est réalisée en résolvant les équations de Stokes et Brinkman et l’utilisation de l’homogénéisation sur le maillage décrit précédemment / During the preforming phase, the dry reinforcement may be subjected to several deformations: tension, shear, but also compression. If two first déformations have been well explored in several studies in recent years, this is not the case of compression. However, this type of deformation significantly affects the permeability of the reinforcement during resin injection because it changes the porosity of the reinforcement both in form and in terms of size. This thesis proposes to study the behavior of the reinforcement in compression and the influence of this deformation on the permeability. For this purpose, compression tests are conducted to study the impact of compaction on the overall deformation of the reinforcement and the various factors that may affect it. Parallel to the experimental study, finite element based numerical simulations at the mesoscopic scale was implemented. The simulations are validated by the mechanical tests. The deformed geometry obtained by the mechanical simulations was then processed by a meshing chain to obtain a 3D regular mesh of the RVE fluid. The prediction of the permeability of the woven reinforcement is achieved by solving the Stokes and Brinkman equations and by using the homogenization on the grid mentioned above.

Nous avons étudié la dynamique des électrons dans des réseaux de nanoparticules métalliques. Nous avons d'abord considéré le réseau le plus simple, c'est-à-dire le dimère de nanoparticules. Nous avons trouvé des fréquences propres du dimère hétérogène et ensuite nous avons appliqué l'approche du système quantique ouvert pour décrire les processus d’amortissement présents dans le système. Nous avons étudié deux processus d’amortissement qui dépendent de la taille des nanoparticules constituant le dimère: l'amortissement de Landau avec une proportionnalité inverse à la taille du système, et l’amortissement radiatif, proportionnel au volume du système. En utilisant les résultats de l'étude des dimères, nous avons étendu notre approche du système quantique ouvert pour étudier des chaînes de nanoparticules unidimensionnelles. Nous avons dérivé une équation maîtresse qui a été utilisée pour étudier la propagation des plasmons le long de la chaîne. Nous avons constaté que la propagation du plasmon est limitée que par les sources non radiatives d'amortissement. Enfin, nous avons dérivé l'expression analytique de la longueur de propagation d'un plasmon dans une chaîne de nanoparticules. / We studied the electron dynamics in metallic nanoparticle arrays. We first considered the simplestarray i.e. a nanoparticle dimer. We found the eigenfrequencies of the heterogeneous dimer andthen we applied the open quantum system approach to describe the decay processes present inthe system. We investigated two decay processes which depend on the size of the nanoparticlesbuilding up the dimer : the Landau damping, inversly proportional to the system-size, and radiationdamping, proportional to the volume of the system. Using the results of the dimer study weextended our open quantum system approach to study one-dimensional nanoparticle chains. Wederived a master equation and used it to investigate the propagation of plasmons along the chain.We found that the propagation of the plasmon is limited by the non-radiative sources of damping.Finally we derived an analytical expression for the propagation length of a plasmon in ananoparticle chain.

La supraconductivité par effet de proximité est un phénomène apparaissant à basse températures qui confère des propriétés supraconductrices à un métal normal cohérent de phase connecté à des électrodes supraconductrices. C'est aussi un outil puissant de la physique mésoscopique, car il est sensible aux différents régimes de transport à basse température. En particulier, nous avons utilisé cet effet afin de révéler les propriétés électroniques spéciales de nanofils de Bi monocrystallins. Dans ce système, le transport est dominé par la surface. De plus, la présence de fort couplage spin-orbite dans le Bi à basse dimension influence profondément sa structure de bande : la bicouche de Bi orienté selon la direction (111) a été prédite d'être isolante dans le volume, mais conductrice sur les bords. Cet effet, appelé l'effet Hall quantique de spin donne lieu a deux états chiraux contra-propageants, qui sont insensibles au désordre tant que la symétrie par renversement du temps est préservée.A travers l'observation de la robustesse du courant critique à fort champ magnétique dans plusieurs échantillons, en même temps que des intérférences de type SQUID à bas champ magnétique, nous avons montré l'existence d'états de bord 1D portant le supercourant. La mesure de la relation courant-phase grâce à la technique de SQUID asymétrique sur un nanofil caractérisé auparavant a été réalisée et démontre que ces canaux sont en fait balistiques. Ces résultats sont compatibles avec des simulations de type liaisons fortes, qui étendent les résultats connus pour la bicouche de Bi (111) aux systèmes de type nanofil. L'ajout d'un champ Zeeman dans le plan permet d'observer des transitions 0-π, révélant ainsi des croisements de niveaux induits par la séparation en spin des états d'Andreev. Enfin, des mesures de la susceptibilité dynamique de ce système via des mesures de spectroscopie micro-onde ont été mises en place, et pourraient démontrer de manière univoque la propriété de protection topologique contre le désordre, d'après nos simulations numériques. / The superconducting proximity effect is a phenomenon occurring at low temperatures that conveys superconducting properties to a phase coherent normal metal sample connected to superconducting electrodes. It is also a powerful tool in mesoscopic physics because it is sensitive to different transport regimes at low temperatures. In particular, we have used this effect to reveal the special electronic transport properties of single crystal Bi nanowires. In this system, the transport is dominated by surface states. Moreover, the presence of strong spin-orbit coupling in Bi at low dimensions deeply influences its electronic structure : it was predicted that (111) oriented Bi bilayer are insulating in the bulk, but conducting along the edges. This so called Quantum Spin Hall Effect (QSHE), gives rise to counterpropagating chiral edge states, that are protected against disorder as long as time reversal symmetry is present.Through the observation of the resilience of the critical current in several samples at high magnetic field, along with SQUID-like interference pattern at low magnetic field, we showed the existence of supercurrent carrying 1D edge states. The measurement of the current-phase relation using the asymetric SQUID technique on a previously characterized nanowire was realized and further demonstrates that these edge states are ballistic. These findings are consistent with tight-binding simulations that extend the known results for (111) Bi bilayer to nanowire-like system. The addition of an in-plane Zeeman field allows one to observe 0-π transitions, thereby revealing spin-splitting induced Andreev level crossings. Finally, microwave spectroscopy measurement of the dynamical susceptibility in this system are initiated, that could reliably demonstrate the property of protection against disorder according to numerical simulations.By exploring Bi at low dimensions, this thesis paves the way towards the exploration of electronic states fully protected from disorder.