Cette thèse vise à étudier la diffusion protonique, et dans une moindre mesure ionique, au sein d'un matériau électrolyte pour pile à combustible BaCeO3 dopé Gd, en adoptant une démarche multi-échelle. Tout d'abord, des calculs ab initio ont été réalisés afin de déterminer les positions stables des défauts protoniques OH_O et des lacunes d'oxygène VO dans le matériau. Puis, en utilisant toujours le formalisme de la théorie de la fonctionnelle de la densité, les barrières d'énergies pour les deux types de défauts entre deux positions stables ont été calculées. Enfin, ces barrières ont été utilisées dans un algorithme de Monte-Carlo cinétique afin de simuler des trajectoires de protons et de lacunes d'oxygène. Cette méthode permet d'accéder à des grandeurs macroscopiques, accessibles expérimentalement, telles que l'énergie d'activation, le coefficient de diffusion ou la mobilité, en se basant uniquement sur des données atomiques issues de simulations ab initio. Le gadolinium semble être un dopant intéressant pour le cérate de barium au vu de son faible pouvoir attractif sur le proton : il permet ainsi la création de nombreuses lacunes d'oxygène, qui pourront incorporer des molécules d'eau, sans toutefois piéger l'hydrogène. Ces deux conditions sont nécessaires pour obtenir un bon électrolyte pour les oxides solides conducteurs de protons.

Cette étude s'inscrit dans le cadre du développement d'outils de simulation de latélémétrie qui est une technique possible pour la surveillance et le contrôle périodique desréacteurs nucléaires à neutrons rapides refroidis par du sodium liquide (RNR-Na).De manière générale, la télémétrie consiste à positionner au sein du réacteur untransducteur qui génère un faisceau ultrasonore. Ce faisceau se propage à travers un milieuinhomogène et aléatoire car le sodium liquide est le siège de fluctuations de température quiimpliquent une variation de la célérité des ondes ultrasonores, ce qui modifie la propagationdu faisceau. Ce dernier interagit ensuite avec une structure immergée dans le réacteur. Lamesure du temps de vol de l'écho reçu par le même transducteur permet de déterminer laposition précise de la structure. La simulation complète de la télémétrie nécessite donc lamodélisation à la fois de la propagation d'une onde acoustique en milieu inhomogènealéatoire et de l'interaction de cette onde avec des cibles de formes variées ; c'est l'objectif dece travail.Un modèle stochastique basé sur un algorithme de type Monte-Carlo est tout d'aborddéveloppé afin de simuler les perturbations aléatoires du champ de propagation. Le champacoustique en milieu inhomogène est finalement modélisé à partir du champ calculé dans unmilieu homogène moyen en modifiant les temps de parcours des rayons homogènes parincorporation d'une correction fournie par le modèle stochastique. Le modèle stochastiquede propagation ainsi développé a été validé par comparaison avec un modèle déterministe ets'avère nettement plus simple à mettre en oeuvre au sein de la plateforme logicielle desimulation en contrôle non destructif CIVA et moins couteux en temps de calcul que lemodèle déterministe.En vue de modéliser l'interaction onde acoustique/cible, des modèles classiques dediffraction ont été évalués dans le cadre de structures rigides, parmi lesquels la théoriegéométrique de la diffraction (GTD) et l'approximation de Kirchhoff (KA), ces deuxapproches apparaissant comme complémentaires. En les combinant de sorte à ne conserverque leurs avantages, nous avons développé un modèle hybride (KA raffiné) en utilisant uneprocédure similaire à la théorie physique de la diffraction (PTD). Le modèle KA raffinéfournit une amélioration de la prédiction en champ proche d'une cible rigide. Le modèle dediffraction KA initial (non raffiné) a été ensuite étendu pour traiter une cible réalisted'impédance finie. Le modèle KA " général " ainsi obtenu se révèle être une solutionsatisfaisante pour l'application à la télémétrie. Finalement, le couplage du modèlestochastique de propagation et du modèle de diffraction KA général nous a permis deconstruire un outil de simulation complète de la télémétrie en milieu inhomogène.

Ce travail de thèse présente une étude numérique et théorique de l'influence des effets coopératifs sur la localisation de la lumière dans des vapeurs atomiques, suivie d'une étude expérimentale de ces effets coopératifs dans le régime de diffusion multiple dans des nuages d'atomes froids dilués. Le premier chapitre décrit le modèle que nous utilisons, basé sur l'Hamiltonien effectif d'interaction matière rayonnement, afin d'étudier numériquement la localisation de la lumière et les effets coopératifs. Nous discutons également des différences fondamentales existant entre la situation réelle où la lumière est assimilée à une onde vectorielle et l'approximation scalaire plus facile à traiter analytiquement. Le deuxième chapitre se concentre sur la présentation des résultats numériques complétée d'une comparaison systématique entre les cas scalaire et vectoriel. Nous remarquons dans cette partie que l'approximation scalaire, valable dans la limite des milieux spatialement dilués, présente des différences drastiques avec le cas vectoriel lorsque nous considérons des milieux spatialement denses. Nous n'observons pas également d'indications suffisantes nous permettant de discriminer le fait que les effets coopératifs ne soient pas à la base des mécanismes de localisation de la lumière. Dans la dernière partie nous nous intéressons expérimentalement aux signatures des effets coopératifs dans le régime de diffusion multiple en confrontant à nos résultats expérimentaux plusieurs approches théoriques tenant compte ou pas des effets d'interférences.

La supraconductivité s'établit par une organisation collective des électrons, décrite dans le cadre de la théorie BCS par une même fonction d'onde macroscopique. En présence de fort désordre, la situation est plus complexe : le désordre induit un renforcement des interactions coulombiennes et une localisation des électrons, s'opposant à l'établissement de la supraconductivité. Pour un désordre critique, la supraconductivité est détruite et le système devient métallique ou isolant. A 2D, en l'absence de fortes interactions coulombiennes, la théorie de la localisation d'Anderson interdit l'existence d'un état métallique : le désordre induit une Transition Supraconducteur-Isolant (TSI). Durant cette thèse, nous avons étudié les propriétés de transport à très basse température de films minces amorphes de NbxSi1-x. Nous avons effectué des mesures de résistance à basse fréquence à travers la TSI et initié des mesures d'impédance complexe à hautes fréquences (quelques GHz), afin de sonder la dynamique du système à travers la TSI. L'étude du transport statique s'est focalisée sur l'évolution du NbxSi1-x avec le recuit. Ce paramètre induit une variation progressive du désordre microscopique de notre système, ce qui nous a permis d'étudier finement la TSI. Nous avons ainsi mis en évidence deux états dissipatifs, séparant les états supraconducteurs et isolants, et non-prédits par les théories actuelles. Par ailleurs, nous avons mis au point un dispositif de mesure de réflectométrie micro-onde large bande. Nous avons en particulier développé une méthode de calibration, utilisant non pas la mesure de références externes comme il est usuel, mais un ensemble d'hypothèses sur la réponse électrodynamique des échantillons. Cette méthode permet de s'affranchir de l'environnement micro-onde de ceux-ci. Les résultats obtenus permettent une première validation de cette démarche et constituent donc un premier pas vers la détermination de la réponse dynamique absolue du système à travers la TSI.

L'expérience GBAR - Gravitational Behaviour of Antihydrogen at Rest - est conçue pour réaliser un test direct du principe d'équivalence faible sur l'antimatière. Son objectif est de mesurer l'accélération d'un antiatome d'hydrogène en chute libre, appelée Gbar. Son originalité réside dans la production d'antiions Hbar+ pour appliquer le refroidissement sympathique afin d'obtenir une température de l'ordre du µK, indispensable à la réalisation de la mesure. Les ions Hbar+ sont produits par les réactions : pbar + Ps -> Hbar + e-, puis Hbar + Ps -> Hbar+ + e-, où pbar représente l'antiproton, Ps le positronium (l'état lié entre le positon et l'électron), Hbar l'antihydrogène et Hbar+ l'antiion associé. Pour produire la quantité de Ps nécessaire à l'expérience GBAR, 2x10^10 positons doivent être injectés sur une cible mésoporeuse de SiO2 en moins de 100ns. Un tel flux nécessite l'accumulation et le refroidissement des positons dans un piège à particules.Cette thèse décrit l'injecteur de positons en phase de démonstration à Saclay pour l'expérience GBAR. Il est constitué d'un piège de Penning-Malmberg (emprunté au laboratoire du RIKEN) alimenté par un faisceau de positons lents. Un accélérateur linéaire d'électrons de 4.3MeV produit le faisceau pulsé de positons en tirant sur une cible de tungstène, modéré ensuite par un modérateur constitué de multiples couches de grilles de tungstène. Le flux de positons lents est de 10^4 e+/pulse, soit 2x10^6 e+/s à 200Hz. Nous présentons dans ce document la toute première accumulation de positons produit par un accélérateur (plutôt qu'une source radioactive), et leur refroidissement dans un plasma de 2x10^10 électrons préalablement chargés dans le piège.

Cette thèse porte sur l'étude de l'émissivité et de l'opacité dans les plasmas de fusion inertielle (FCI), et des processus atomiques dans les plasmas de fusion magnétique (FCM).En FCI, nous avons étudié les spectres d'émissivité du hohlraum de l'approche indirecte et d'opacité des dopants de l'ablateur. Leur connaissance permet d'améliorer la compression de la cible de D-T et ainsi favoriser les réactions de fusion. Nous avons caractérisé les spectres lié-lié de l'or, du carbone et du germanium au moyen de méthodes détaillées (code PPP) mais qui s'avèrent coûteuses en temps de calculs et limitées quand le nombre de niveaux/ions augmente. Pour optimiser le temps de calcul sans perdre en précision, une méthode hybride détaillée/statistique (code SCO-RCG) a fait l'objet de comparaison/validation avec le code PPP sur des cas tests. Cette approche a ensuite été appliquée au calcul de l'opacité totale (lié-lié, lié-libre, libre-libre) pour tous les états d'ionisation du germanium et du silicium. Les spectres obtenus sont ensuite comparés dans une large gamme d'énergies en vue d'optimiser la compression de la cible.En FCM, à partir d'expériences effectuées sur les tokamaks Tore Supra (CEA Cadarache) et ASDEX Upgrade (Max Planck Institut, Garching), nous nous proposons de développer une nouvelle base de données de physique atomique (sections efficaces, taux des processus,...) à l'aide du code HULLAC pour analyser des coefficients de transport. Le but de cette étude est la sensibilité aux données atomiques de la reconstruction des coefficients de transport par le code ITC. Pour le cas de l'argon, les sections efficaces de quelques processus sont présentées et les coefficients de taux sont comparés à ceux provenant du consortium ADAS.

In this thesis we study thermal properties and melting behavior of crystals using Monte Carlo simulations. The Monte Carlo method is very difficult to implementfor melting investigation, unlike for problems where particles (such as spins) are localized on lattice sites. However, once it is well conceived, it is among themost efficient numerical techniques, to be able to study melting.We have created a high-performance algorithm based on an optimized Verlet procedure, which allowed us to investigate thermalproperties up to the melting. This optimization was necessary for treating an important number of atoms in very long runsto have good statistics, without prohibitive CPU time.We applied our algorithm to rare-gas crystals using the Lennard-Jones potential with parameters given by Bernardes which are widely used in the literature since 1958.Our results, thanks to their precision, show that we should modify these parameters in order to have a good agreement with experimental data.We studied melting of bulk semiconductors and metals by considering the case of Si and Ag. These materials have been chosen to serve our project about Silicene. Silicon has a diamond structure, and silver has the FCC lattice structure, both of them have been well experimentallystudied with well-known experimental melting temperatures. In spite of this, no good simulations have been done. For Si, one of the major problems is thechoice of a potential which stabilizes the diamond structure at finite temperatures. We have applied our algorithm to these materials using the multi-body Stillinger-Weber and Tersoff potentials for Si and the Gupta and EAM(embedded atom method) potentials for Ag. We obtained results much more precise than in early simulations and in good agreement with experiments.We also studied the Ag(111) surface trying to elucidate the long-standing controversy whether or not there is the ''anomalous'' thermal expansion whichhappens, for certain metals, when the inter-layer distances between the topmost atomic planes changes from a contracted situation to an expansion with respect tothe bulk distance. We showed that, depending on the potential, the anomalous crossover exists and the surface melting can occur at a temperature very far belowthat of the bulk melting. This is the case of EAM potential, but not the Gupta potential where surface melting occurs just belowbulk the melting.Finally, we studied the thermal stability of a stand-alone silicene sheet. Silicene is the Si counterpart of 2D carbon sheet called ''graphene". Siliceneattracts the attention of many researchers, because of its electronic and thermal properties which seem to be comparable to those of graphene which is actually oneof the most studied materials, due to its unusual properties susceptible for revolutionary device applications. Furthermore, because it is a Si-based material, thecompatibility, with the actual Si-based electronic industry, is expected to be better than for graphene. We show that, using the Tersoff potential with twosets of parameters (the original and the modified ones), the silicene 2D honeycomb structure is stable up to high temperatures without buckling. We have tested the Stillinger-Weberpotential: it yields a buckled honeycomb sheet at low temperatures but the 2D structure is destroyed in favor of a tri-dimensional structureat the melting. Discussion on this point is given.A general conclusion with some open perspectives is given at the end.

Un vaste programme international est en cours pour déterminer les paramètres du phénomène d'oscillation des neutrinos et approfondir la connaissance de la matrice de mélange des neutrinos (MNSP). Le détecteur OPERA, qui est installé dans le laboratoire souterrain du Gran Sasso en Italie, a pour but principal de mettre en évidence l'apparition de neutrinos de type tau dans un faisceau de neutrinos initialement de type muon, produit au CERN (CNGS) 730 km en amont. Il est aussi en mesure de détecter les oscillations des neutrinos muon en neutrinos électron, donnant accès au paramètre de mélange sin(2θ13)2, où θ13 est le dernier angle de la matrice MNSP finalement déterminé en 2012 conjointement par Daya Bay, RENO et Double Chooz. Pour déterminer la présence des ντ dans le faisceau, le détecteur OPERA est composé de cibles calorimétriques utilisant une alternance de plaques de plomb et de films d'émulsion. Ceux-ci permettront de reconstruire les traces des particules chargées résultant des interactions neutrino avec une précision inégalable (de l'ordre du micron). La recherche des événements de signal d'oscillation νµ → νe sera basée sur l'aptitude à identifier les électrons, à rejeter les événements de fond où un π0 est produit et à soustraire le fond dominant intrinsèque provenant du faisceau. Ce travail de thèse a pour objectif l'élaboration de méthodes d'analyse pour améliorer les performances du détecteur OPERA dans la recherche d'oscillations νµ → νe .

Dans cette thèse, je présente mes travaux de recherche réalisés avec les données de collision proton-proton enregistrées par le détecteur ATLAS. Les événements étudiés possèdent un état final avec au moins deux photons et une grande masse invariante du système diphoton. Le lot de données enregistré pendant l'année 2011 dans des collisions avec une énergie de 7 TeV dans le centre de masse proton-proton correspond à une luminosité intégrée d'environ 5 fb-1. Ces données ont été comparées aux prédictions du Modèle Standard de la Physique des Particules. En l'absence de différences significatives, des contraintes ont été imposées sur les paramètres de modèles prévoyant l'existence de dimensions supplémentaires. A titre d'exemple, le premier graviton de Kaluza-Klein du modèle de Randall-Sundrum a été contraint d'être plus massif que 2.23 TeV, améliorant d'environ 1 TeV la contrainte du Tevatron. Les résultats obtenus ont fait l'objet d'une publication de la part de la collaboration ATLAS. En 2012, le LHC a réalisé des collisions proton-proton avec une énergie dans le centre de masse de 8 TeV. En outre, la luminosité intégrée a été environ quatre fois supérieure qu'en 2011. Les résultats préliminaires obtenus avec ce lot de données sont présentés dans ce document. La revue interne de ces résultats au sein de la collaboration ATLAS est en cours en vue d'une publication en 2013. La détection et la caractérisation des électrons et des photons reposent essentiellement sur le calorimètre à argon liquide du détecteur ATLAS. La procédure qui permet d'évaluer la qualité des mesures de ces particules a été mise en place au début de la prise de données. Ma contribution à son élaboration est décrite dans ce document.

This thesis deals with Dark Matter (DM) properties, mainly in the context of the Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model (NMSSM). First, it is examined whether a neutralino in the NMSSM could explain a monochromatic photon excess possibly present in the Fermi-LAT data. It is shown that neutralino pair annihilation with a CP-odd Higgs exchanged in s-channel can, in principle, give rise to a sufficiently large cross section. Asymmetric dark matter models, aiming at the explanation of the coincidence of present-day DM and baryon abundances, are also discussed. Upper bounds on DM self-annihilation cross section, which can potentially destroy the DM asymmetry, are derived and applied to a variety of models. Finally, a supersymmetric model is proposed, providing sneutrinos as viable asymmetric DM and explaining the smallness of neutrino masses. Bounds on this model from particle physics, cosmology and DM searches are studied.