Les boucles diphasiques à pompage capillaire sont des systèmes performants de transfert thermique qui peuvent transporter, de manière passive, de très importantes quantités de chaleur sur de grandes distances : utilisant les phénomènes qui apparaissent lors de la vaporisation d'un liquide dans un corps poreux (la mèche) contenu dans l'évaporateur, ces dispositifs offrent l'avantage de ne pas utiliser d'organe mécanique de puissance pour mettre lefluide frigorigène en mouvement. Vu les performances dont ces systèmes ont fait preuve dans le domaine spatial, leur utilisation dans le domaine gravitaire est aujourd'hui sérieusement étudiée, en particulier dans le domaine ferroviaire. Le travail de cette thèse porte sur la description du comportement thermodynamique instationnaire global d'une boucle diphasique à pompage capillaire, utilisée par Alstom Transport pour refroidir ses composants d'électronique de puissance. La première partie de ce travail consiste en la modélisation du transfert de masse et de chaleur dans la mèche contenu dans l'évaporateur, qui est le composant clé de la boucle. Un modèle mathématique instationnaire 2D a été développé pour décrire l'écoulement diphasique avec changement de phase dans le milieu poreux. Les résultats numériques de ce modèle montrent la formation d'une poche de vapeur au sein de la mèche poreuse. Une étude approfondie est élaborée pour décrire la dynamique de la croissance de cette poche en fonction de plusieurs paramètres (géométrie, sous-refroidissement, température de saturation, porosité). La deuxième partie de ce travail consiste à coupler le modèle de l'évaporateur au reste de la boucle afin d'obtenir un modèle thermodynamique global avec une interface liquide/vapeur mobile dans la mèche poreuse. Ce modèle est validé en régime transitoire par une confrontation de ses résultats aux mesures obtenues lors d'une précédente campagne expérimentale. Le comportement de la boucle au cours de la phase de démarrage est ensuite étudié. Finalement, la réponse transitoire de la boucle globale est analysée, en portant un intérêt particulier au comportement de l'évaporateur soumis à un créneau de puissance appliqué, à la variation de la température de consigne du réservoir de contrôle et à la variation de la température de la source froide en contact avec le condenseur. / Capillary pumped loop is a two phase device that uses the phase change phenomena occurred in the porous wick to transport large heat loads over long distances (several meters) without the need of any mechanical pump. CPLs have been developed and successfully employed for the thermal control of satellites. Thanks to their heat transport capacity, their use is now seriously considered in the gravity field especially for cooling electronic devices of a railroad traction chain. The work of this thesis focuses on the description of the unsteady thermodynamic behavior of a capillary pumped loop used by Alstom Transport to cool its power electronics components. The first part of the thesis consists to study the key component of CPL: the capillary evaporator. A 2D unsteady mathematical model has been developed to describe the heat and mass transfer inside the porous wick of the CPL evaporator. The numerical results of this model show the formation of a vapor pocket inside the porous wick. The influences of evaporator geometry, liquid subcooling, saturation temperature and wick porosity on the dynamic growth of the vapor pocket are discussed in detail. The second part of this work consists of coupling the CPL evaporator model with other CPL components in order to obtain a global capillary pumped poop model with a mobile liquid/vapor interface in the porous wick. The proposed model is validated by comparing numerical simulations with experimental results obtained in a previous works realized at Alstom Transport. The CPL startup is then studied. Finally, the influences of the applied power, reservoir temperature and heat sink temperature on the dynamic response of the overall loop are analyzed, with a particular interest to the evaporator behavior.

Dans le domaine ferroviaire les contraintes pesant sur les systèmes de traction électrique sont telles que cela constitue une branche à part de l’électronique, appelée « électronique de puissance ». La nécessité du refroidissement est exacerbée par la présence de très fortes puissances électriques circulant dans ces systèmes. Une adaptation au domaine ferroviaire des boucles fluides diphasiques à pompage capillaire, initialement conçues pour des applications spatiales, pourrait constituer une réponse avantageuse à ce besoin de refroidissement. Ce sont des moyens de transfert thermique passifs, modulaires, très performants et très fiables. La vaporisation du fluide caloporteur se fait dans une mèche poreuse, engendrant une différence de pression entre la vapeur et le liquide, permettant la mise en mouvement du fluide dans tout le système. Elles fonctionnent donc sans pompe ni aucun organe mécanique de mise en mouvement du fluide.Des adaptations ont été effectuées par ALSTOM et EHP (Euro Heat Pipe) sur ces boucles conduisant à un prototype appelé « Capillary Pumped Loop for Integrated Power » (CPLIP). Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse est d’étudier la compatibilité chimique du fluide diphasique utilisé dans la CPLIP, le méthanol, avec le matériau de la mèche poreuse de la CPLIP, du nickel fritté. Cette compatibilité sera notamment étudiée aux températures de fonctionnement qui pourraient être plus élevées qu’elles ne le sont actuellement avec l’utilisation du carbure de silicium dans l’électronique de puissance. Deux bancs d’essai ont été développés spécifiquement pour l’étude du vieillissement d’un fluide au contact d’un solide catalytique. Le premier est un réacteur batch permettant de déterminer la cinétique de réaction. Un second banc d’essais a été conçu dans le but de se rapprocher des conditions de fonctionnement des boucles fluides diphasiques. Du fait des contraintes liées à l’étude de la réaction par analyse des composés chimiques, il n’était pas possible de faire circuler le fluide par pompage capillaire. C’est donc une boucle fluide diphasique gravitaire qui a été mise au point. Le fonctionnement de ce procédé étant loin d’être trivial, une partie de ce travail est consacrée à décrire le comportement thermique de ce procédé, à l’aide de résultats expérimentaux ainsi que d’un modèle numérique simple. Les analyses sur ces deux bancs de test ont été faites à l’aide d’un micro-chromatographe en phase gazeuse. Des essais de caractérisation de la surface, au travers d’analyses de microscopie à balayage électronique, de spectrophotométrie à rayon X et des analyses BET ont permis d’avoir une idée plus précise de la surface du nickel fritté. Ces analyses ont également été effectuées après réaction, de manière à obtenir plus d’informations sur l’évolution de l’état de surface au cours de la réaction. Différents essais ont ensuite été effectués pour différentes températures et différentes granulométries qui nous ont permis de proposer un mécanisme de la dégradation du méthanol au contact du matériau constituant la mèche poreuse. Enfin, des premiers tests ont été effectués sur la boucle fluide diphasique de manière à étudier la dégradation du méthanol dans des conditions proches de celles qui seront rencontrées dans les boucles industrielles. / In the railway field the constraints on electric traction systems are such that these systems constitute a separate branch of electronics, called "power electronics". Furthermore, the needs for cooling these systems are increased by the presence of very high electrical currents flowing in these systems. An adaptation to the railway field of two-phase fluid capillary pumped loops, initially designed for space applications, could be an advantageous response to this cooling need. The capillary pumped loops are passive and modular heat transfer devices, characterized by their highly efficient and highly reliable behavior. The vaporization of the heat transfer fluid takes place in a porous wick, generating a pressure difference between the vapor and the liquid phase, allowing the setting in motion of the fluid throughout the system. They therefore operate without pump or any mechanical element to set the fluid in motion. Adaptations have been made by ALSTOM and EHP (Euro Heat Pipe) on these loops, leading to a prototype called "Capillary Pumped Loop for Integrated Power" (CPLIP). The goal of this PhD, in this context, is to study the chemical compatibility of methanol, which is the fluid used in the CPLIP, with the material of the CPLIP wick based on sintered nickel. Their compatibility will be mainly studied for temperatures higher than those currently encountered in the loop, to take into account the increase of operating temperature due to the development of silicon carbide in power electronics.Two test benches have been developed specifically for the study of the aging of a couple fluid/catalytic solid in contact. The first one is a batch reactor used to determine the reaction kinetics. A second test bench has been designed with the aim to partially reproduce the operating conditions of the CPLIP. Because of the constraints related to the study of the reaction including analysis of the chemical compounds, it was not possible to generate capillary pumping to the setting in motion of the fluid. A gravitational two-phase fluid loop has therefore been developed. Since the use of this process is quite complex, a part of this work is devoted to describe its thermal behavior, using experimental results as well as a simple numerical model. On these two test benches, a gas chromatograph was used to perform chemical analyzes. Surface characterization tests, using scanning electron microscopy, X-ray spectrophotometry and BET analyzes, provided a more accurate knowledge of the surface area of the sintered nickel. Analyzes were also carried out after reaction, in order to obtain more information on the evolution of the surface state during the reaction. Various tests were then carried out for different temperatures and particle sizes which allowed us to offer a degradation mechanism of methanol in contact with the nickel of the porous wick. Finally, first tests were carried out on the gravitational two-phase fluid loop in order to study the degradation of methanol under conditions representative to those encountered in industrial loops

Les zones sources formées par les organochlorés dans les sols (DNAPL) peuvent contaminer les aquifères pour plusieurs siècles en alimentant un panache de composés dissous. Pour épuiser ces zones sources, pomper le DNAPL est la solution la plus simple, mais l’efficacité est limitée par le cheminement préférentiel de l'eau dans le sol et les forces capillaires qui piègent le DNAPL. Les stratégies plus agressives (dissolution, traitement thermique, dégradation chimique…) sont aussi plus coûteuses. Dans cette thèse, deux stratégies de traitement à base de mousse de surfactant ont été développées et évaluées au laboratoire en préparation d’un essai terrain. La première stratégie utilise l’injection de mousse en zone source pour mobiliser de façon contrôlée le DNAPL et le diriger vers des puits de pompage. Dans les meilleures conditions, la saturation en DNAPL après traitement a pu être abaissé en dessous de 1 % avec une consommation de surfactant inférieure à 10 g kg-1 de DNAPL éliminé. La seconde stratégie utilise la mousse comme vecteur de réactif (hydrogène) pour accélérer la biodégradation des composés dissous dans le panache. Sous forme de mousse, l’hydrogène a été délivré de façon ciblée et plus rémanente dans l’horizon à traiter. Les technologies développées se sont montrées très prometteuses à l’échelle du terrain et lors de l’évaluation technico-économique. De la recherche reste nécessaire pour rendre ces procédés plus prédictibles lors de leur mise en œuvre. / Source zones formed by chlorinated organic compounds in soils (DNAPL) can contaminate aquifers for several centuries by feeding a plume of dissolved compounds. To deplete those source zones, DNAPL pumping is the simplest option, but the efficacy is limited by preferential water flow in the soil and capillary forces that are trapping the DNAPL. More aggressive strategies (dissolution, thermal treatment, chemical degradation...) are also costlier. Within this thesis work, two treatment strategies using surfactant foam were developed and assessed at lab-scale to prepare field assessment. The first strategy relies on foam injection in the source zone to mobilize the DNAPL in a controlled fashion to drive it ahead to pumping wells. In the best conditions, DNAPL saturation was lowered below 1% after treatment with a surfactant consumption below 10 g kg-1 of DNAPL removed. The second strategy uses foam as a reagent (hydrogen) carrier to accelerate the biodegradation of dissolved compounds in the plume. When injected as a foam, hydrogen was delivered in a targeted and more persistent manner in the strata to be treated. Developed technologies showed to be promising at field-scale and when the technico-economic assessment was conducted. Research still remains to be done to make those techniques more predictable during their implementation.

Nous avons étudié les propriétés dynamique d'un spin individuel dans une boite quantique de semiconducteur II-VI (spin d'un atome de Mn ou electron résident). Une boîte quantique comportant un atome de manganese présente six raies qui permettent de sonder optiquement l'état de spin du Manganese. Des expériences pompe-sonde réalisées sur boîte unique ont permit de montrer que le spin du Mn peut être orienté optiquement en quelques dizaines de ns, que le temps de vie $T_1$ de ce spin est supérieur à la $mu$s, et que le pompage optique en champ nul est controlé par une anisotropie magnétique induite par les contraintes. Par ailleurs, dans le but d'identifier les mechanismes du pompage optique, nous avons mis en évidence des processus de relaxation de spin au sein du système exciton-manganese, durant la durée de vie de ce dernier. Enfin, nous avons mis en evidence un effet Stark optique sur chacune des raies d'une boîte quantique magnétique. Concernant la dynamique d'un électron dans une boîte quantique II-VI, nous avons mis en évidence le pompage du spin de l'électron résident ainsi que des noyaux. / We have studied the dynamic properties of a single spin (Mn impurity or resident electron) in a II-VI semiconductor quantum dot. A quantum dot doped with a single Mn atom presents six lines which allow to probe optically the spin-state of the Mn atom. Pump-probe experiments at a single dot level were carried out to demonstrate that the Mn spin could be oriented in a few tens of ns, and that the spin-distribution prepared by such means was perfectly conserved over a few $mu$s. The optical pumping of the Mn spin at zero magnetic field is controlled by a strain-induced magnetic anisotropy. Furthermore, seeking for a microscopic mechanism controlling the optical pumping of the Mn atom, we have evidenced spin relaxation channels within the exciton-Mn complex. At last, we have evidenced an optical Stark effect on any of the lines of a Mn-doped quantum dot. Concerning the dynamics of an electron in a II-VI quantum dot, we have evidenced optical pumping of the resident electron, and dynamic nuclear spin polarization.

Dans cette thèse, nous étudions le comportement de circuits Josephson sous l'action de champs microondes forts. Les circuits Josephson dans le régime quantique sont une brique pour émuler une variété d'hamiltoniens, utiles pour traiter l'information quantique. Nous étudions ici le transmon, constitué d'une jonction Josephson et d'un condensateur en parallèle. À travers des simulations numériques et en comparant aux résultats expérimentaux, nous montrons que ces champs conduisent à une instabilité qui envoie le circuit sur des états qui ne sont plus confinés par le potentiel Josephson en cosinus. Quand le transmon occupe de tels états, le circuit se comporte comme si la jonction avait été remplacée par un interrupteur ouvert et toute non-linéarité est perdue, ce qui se traduit par des limitations sur les amplitudes maximales des hamiltoniens émulés. Dans une deuxième partie, nous proposons et étudions un circuit alternatif basé sur un transmon avec une inductance en parallèle, qui fournit un confinement harmonique. La dynamique de ce circuit est stable et bien capturée par un modèle moyennisé qui fournit alors un outil pratique pour l'analyse analytique ou les simulations rapides. Nous avons développé un nouvel outil de simulations modulaire et basé sur la théorie de FloquetMarkov pour permettre de simuler facilement d'autres circuits Josephson en évitant les limitations des analyses perturbatives. Enfin, nous étudions les propriétés d'une version asymétrique du Josephson Ring Modulator, un circuit actuellement utilisé pour l'amplification et la conversion, comme source de non-linéarité pour émuler les hamiltoniens d'interaction à deux et quatre photons requis pour l'encodage de l'information quantique sur des états de chats de Schrödinger. / In this thesis, we investigate the behavior of Josephson circuits under the action of strong microwave drives. Josephson circuits in the quantum regime are a building block to emulate a variety of Hamiltonians, useful to process quantum information. We are here considering a transmon device, made of a Josephson junction and a capacitor in parallel. Through numerical simulations and comparison with experimental results, we show that these drives lead to an instability which results in the escape of the circuit state into states which are no longer confined by the Josephson cosine potential. When the transmon occupies such states, the circuit behaves as if the junction had been removed and all non-linearities are lost, which translates into limitations on the emulated Hamiltonian strengths. In a second part, we propose and study an alternative circuit consisting of a transmon device with an extra inductive shunt, providing a harmonic confinement. This circuit is found to be stable for all pump powers. The dynamics of this circuit is also well captured by a time-averaged model, providing a useful tool for analytical investigation and fast numerical simulations. We developed a novel numerical approach that avoids the built-in limitations of perturbative analysis to investigate the dynamical behavior of both of these circuits. This approach, based on the Floquet-Markov theory, resulted in a modular simulation framework which can be used to study other Josephson-based circuits. Last, we study the properties of an asymmetric version of the Josephson Ring Modulator, a circuit currently used for amplification and conversion, as a more robust source of non-linearity to engineer two-photon and four-photon interaction Hamiltonians required for the catstate encoding of quantum information.

Le sujet principal de cette thèse concerne les interactions électrostatiques à très longues portés entre atomes de Rydberg. Les atomes de Rydberg offrent une polarisabilité extrêmement importante qui conduit dans plusieurs configurations, à des interactions de type dipôle-dipôle dont la portée peut atteindre plus de 10 microns. Nos expériences à haute résolution montrent une inhibition de l'excitation par un contrôle de l'interaction entre paires d'atomes de Rydberg au voisinage d'une résonance en énergie ainsi que par couplage interne entre niveaux de Rydberg lors de l'application d'un champ électrique. Ces résultats obtenus dans un ensemble macroscopique ont été transposés à un système de deux atomes seulement (collaboration avec l'Institut d'Optique). Nous analysons ensuite la dynamique spatiale et temporelle des expériences de blocage dipolaire en champ électrique à l'aide d'un algorithme Monte Carlo cinétique et nous étudions la formation d'ions et leurs conséquences. L'observation de l'ionisation Penning pour des potentiels attractifs pouvant conduire à un plasma froid mais aussi pour des potentiels répulsifs entre deux atomes de Rydberg indique un rôle de transfert du rayonnement thermique. Un deuxième sujet est l'étude de la formation de molécules froides de césium. Des lasers à large bande spectrale ont été utilisés pour la détection de ces molécules froides et dans des schémas de refroidissement des degrés de liberté internes du dimère de césium. Dans ce dernier cas l'utilisation d'un laser femtoseconde mode bloqué façonné en intensité et en fréquence nous a permis de peupler après quelques cycles d'absorption-émission spontanée l'état vibrationnel v=0 de l'état fondamental du dimère de césium.

Cette thèse présente différentes études sur la formation et la détection de molécules froides. Différents états moléculaires de grandes élongations, pour la molécule Cs2, sont étudié par spectroscopie de photoassociation et d'ionisation. Ces différentes études ont permis d'affiner notre compréhension des mécanismes de photoassociation d'atomes froids formant des molécules dans l'état fondamental triplet (a 3Σu+).<br />Une détection non sélective a été développée, pour la recherche de mécanismes de formation de molécules froides dans l'état fondamental singulet avec peu de vibration. Avec cette nouvelle détection, un nouveau mécanisme de formation de molécules par photoassociation d'atomes froids de césium a été trouvé. Celui-ci permet de former efficacement des molécules dans une distribution de niveaux avec très peu de vibration dans l'état fondamental (X 1Σg+).<br />En utilisant un laser femtoseconde (large spectralement) façonné, un refroidissement vibrationnel des molécules a été démontré, permettant la formation de molécules froides sans vibrations. Le laser femtoseconde, permet d'exciter les nombreux niveaux vibrationnels, créés par photoassociation, il réalise ainsi un pompage optique des molécules. Le laser est façonné de manière à rendre l'état de vibration zéro, noir pour ce laser, et ainsi accumuler toutes les molécules vers ce seul état. <br />Ce résultat est également simulé par un model théorique simple. Cette simulation permet de généraliser l'idée au refroidissement de la rotation des molécules. <br /><br />Une partie (résumée) présente, en s'appuyant sur les différents articles publiés, les études sur les interactions dipôle-dipôle, à grandes portées, entre atomes de Rydberg.

Les techniques de pompage optique sont habituellement bien adaptées à l'étude de la dynamique de spin des semi-conducteurs. Le silicium est un cas particulier, à cause d'un gap indirect et d'un faible couplage spin-orbite.<br />La stratégie mise en place dans nos travaux consiste à «réduire le temps de vie» des électrons de conduction, afin que leur polarisation initiale soit conservée.<br />Dans un premier temps, nous avons mené une étude de photoluminescence polarisée. La réduction du temps de vie s'opère essentiellement en faisant varier le taux de dopage en accepteurs. Nous avons mis en évidence une luminescence chaude fortement polarisée sur un échantillon très dopé. Cependant, aucun effet de dépolarisation en champ transverse n'a pu être observé.<br />Dans un deuxième temps, nous avons conduit une expérience de photo-émission résolue en spin et en énergie, pour une gamme d'énergie d'excitation variant de l'infrarouge à l'ultraviolet. L'échelle de temps pertinente est le temps d'échappement, beaucoup plus court que le temps de vie. Cela a nécessité la mise au point une procédure d'activation de photocathodes en silicium en affinité électronique négative. Une étude spectroscopique à 20 meV de résolution des distributions d'électrons photo-émis a été réalisée. L'analyse en spin de ces distributions montre une augmentation spectaculaire de la polarisation électronique lorsque l'énergie d'excitation se rapproche du gap direct. Des polarisations de l'ordre de 15% sont mesurées, proches des valeurs théoriques que nous calculons. Nous avons également observé un changement de signe de la polarisation très sensible à la température dans la partie thermalisée des distributions électroniques.

Le pompage optique permet de réaliser, par la méthode de Colegrove, Schearer, Walters (Physical Review, 1963, vol. 132, p. 2561), des échantillons gazeux d'hélium-trois dont les spins nucléaires sont orientés. En champ magnétique faible, un tel système est hors d'équilibre. La relaxation de l'orientation se produit principalement au voisinage des parois du récipient : pendant leur adsorption, les atomes subissent l'action des impuretés magnétiques présentes dans la paroi. L'utilisation d'enduits cryogéniques solides peu attractifs (le néon, l'hydrogène moléculaire) réduit notablement cet effet jusque vers deux kelvin. A plus basse température, l'allongement des temps d'adsorption les rend inefficaces : nous avons alors ajouté un film d'hélium-quatre liquide aux échantillons pour exclure l'hélium-trois du voisinage immédiat des parois. Avec un tel revêtement de la cellule, nous avons pu réaliser le pompage optique d'un gaz d'hélium-trois vers un demi kelvin et obtenir un taux d'orientation nucléaire de quelques pour cent ; le temps de relaxation de l'orientation longitudinale est alors de vingt minutes. Les variations du temps de relaxation avec l'épaisseur du film, la composition de l'enduit, la densité gazeuse et la température ont fait l'objet d'études expérimentales détaillées. La condensation progressive de l'hélium-quatre lorsqu'on abaisse la température, l'adsorption de l'hélium-trois sur ce film, sa dissolution à l'intérieur et notamment dans les premières couches ont été discutées. Les estimations effectuées ont permis de proposer quelques modèles explicatifs des processus de relaxation qui interviennent. En outre, par des techniques de Résonance Magnétique Nucléaire permettant l'observation de la précession libre des spins dans un champ magnétique inhomogène, nous avons effectué sur le gaz lui-même les premières déterminations expérimentales des coefficients de diffusion de spin dans l'hélium entre un et un demi kelvin.

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