L’instabilité elliptique peut apparaître dès qu’un écoulement présente des lignes de courant elliptiques, ce qui en fait une instabilité générique des fluides tournants. Si sa pertinence en aéronautique ne laisse plus de doute, sa prise en compte dans l’étude des écoulements géo- et astrophysiques pose de nombreuses questions qui constituent la motivation principale de ce travail théorique, numérique et expérimental. Après une introduction aux écoulements tournants, le chapitre 1 présente les trois forçages mécaniques présents aux échelles planétaires qui seront considérés dans ce travail : les marées, la précession et la libration. Un état de l’art sur les écoulements et les instabilités associés à ces forçages est alors décrit, formant le cadre de cette étude. Le chapitre 2 présente les premières simulations numériques de l’instabilité elliptique en géométrie ellipsoïdale. Ces simulations nous permettent de quantifier l’influence de différentes complexités géophysiques et d’obtenir des lois d’échelles caractérisant l’instabilité. L’interaction de l’instabilité elliptique avec les deux autres forçages mécaniques est ensuite considérée. La section 2.4 montre que la présence simultanée de marées et de libration est susceptible d’exciter une instabilité elliptique au sein des astres synchronisés. La section 2.5 développe et valide une théorie analytique sur l’interaction des marées et de la précession. Enfin, la section 2.6 démontre que l’instabilité elliptique peut se développer à partir d’écoulements convectifs ou stratifiés. Le chapitre 3 s’intéresse à la magnétohydrodynamique (MHD) de l’instabilité elliptique. De nouveaux résultats sur l’aspect inductif de l’instabilité sont obtenus et validés numériquement. La génération d’un effet dynamo associé à l’instabilité elliptique est également abordé. Une partie expérimentale liée à ce travail est ensuite décrite, basée sur un dispositif MHD. Après une étude de la dynamique non-linéaire de l’instabilité sous champ, le dispositif est modifié afin de mettre en place une dynamo synthétique. L’amplitude du champ magnétique imposé pouvant être assez assez grande pour restabiliser l’écoulement, ce dispositif permet d’étudier la saturation par l’écoulement d’une telle dynamo. Des premiers résultats en ce sens sont présentés. Le chapitre 4 utilise les résultats obtenus pour étudier la présence de l’instabilité elliptique au sein de planètes, lunes et étoiles connues. Le cas particulier de la Lune est d’abord considéré et un scénario, basé sur l’instabilité elliptique, est proposé puis évalué pour expliquer la dynamo lunaire primitive. Les astres telluriques sont ensuite considérés dans un cadre plus général, et une étude de stabilité adaptée à ce contexte montre que l’instabilité est possible sur la Terre primitive, Europe et trois exoplanètes (55CnCe, CoRoT-7b et GJ1214b). Enfin, la possible existence de l’instabilité au sein de certains systèmes extra-solaires à Jupiter chauds est considérée, montrant sa pertinence pour certains d’entre eux tel que celui de Tau-boo. / The elliptical instability is a generic instability which takes place in any rotating fluid whose streamlines are (even slightly) elliptically deformed. Its presence in an aeronautical context is well established, but its existence in geo- or astrophysical large scale flows raises many issues. This is the starting point of this theoretical, numerical and experimental work.After introducing basics of the rotating flows, chapter 1 presents the three natural planetary mechanical forcings considered in this work : tides, precession and libration. A state-of-the-art of the flows and instabilities associated with these forcings is then given, which constitutes the framework of this study.Chapter 2 presents the first numerical simulations of the elliptical instability in an ellipsoidal geometry, relevant for planets. These simulations allow to quantify the influence of different natural geophysical complexities, and to derive the scaling laws needed to bridge the gap between numerics and planetary applications. The interaction of the elliptical instability with the two other forcings is then considered. Section 2.4 shows that the simultaneous presence of tides and libration can excite an elliptical instability inside fluid layers of synchronized celestial bodies. In section 2.5, a theoretical analysis of the interaction between tides and precession is developed and validated. Finally, in section 2.6, we prove that the elliptical instability can still develop over convective or stratified flows.Chapter 3 focuses on the magnetohydrodynamics (MHD) of the elliptical instability. New results on the magnetic induction by the elliptical instability are obtained and validated numerically. The possible dynamo capability of the instability is also tackled. The experimental part of this work, based on a MHD setup, is then described. Our measurements allow to study the non-linear dynamics of the instability under an external imposed magnetic field. The experimental setup is then modified in order to obtain a synthetic dynamo. The amplitude of the imposed magnetic field being large enough to restabilize the flow, this setup allows to study the saturation by the flow of such a dynamo. First results on this point are presented. Chapter 4 uses the obtained results to study the presence of the elliptical instability in known planets, moons, and stars. The particular case of the Moon is first considered and a scenario, based on the elliptical instability, is proposed and evaluated to explain the primitive lunar dynamo. Telluric bodies are then considered in a more general context, and a stability analysis adapted to this context shows that the instability can be expected in the Early Earth, Europa and three exoplanets (55CnCe, CoRoT-7b et GJ1214b). Finally, the possible development of the instability in extra-solar Hot-Jupiters systems is considered, showing its relevance for some of them, such as the system of Tau-boo.

L'accroissement de la précision des techniques de géodésie spatiale et d'astrométrie globale donnant accès à l'orientation terrestre et l'amélioration des systèmes de référence céleste et terrestre requièrent, pour un meilleur profit scientifique, de réaliser une modéli-sation plus précise de la rotation de la Terre. Dans ce but, l'Union Astronomique Internationale a recommandé en août 2000 une paramétrisation plus fine de la rotation terrestre. La première partie de cette thèse est consacrée à la mise en oeuvre des recommandations, dont l'entrée en vigueur était le 1er janvier 2003 et au calcul des modèles adaptés à la nouvelle représentation astrométrique basée sur l'Origine Non-Tournante~: coordonnées célestes du pôle intermédiaire (CIP) et quantité donnant la position de l'Origine Non-Tournante dans le repère céleste (CEO). Les calculs sont basés sur le nouveau modèle de précession-nutation IAU2000A et sur les récentes estimations des paramètres de raccordement des repères de référence (Capitaine, Chapront, Lambert & Wallace 2003, A&A). Une première modélisation de la quantité $s'$ donnant le déplacement de l'origine des longitudes dans le repère terrestre est également réalisée à partir du mouvement du pôle observé (Lambert & Bizouard 2002, A&A). Les couches fluides externes (atmosphère et océans) jouent un rôle majeur dans la partie non-prédictible de la rotation de la terre. Dans la seconde partie de cette thèse, un bilan de ces effets sur les paramètres d'orientation de la Terre est réalisé à partir des données météorologiques les plus récentes. Outre la contribution moyenne de l'atmosphère et de l'océan sur les périodes de temps couvertes par les séries, nous avons étudié la variabilité temporelle de l'excitation périodique et nous montrons sa forte corrélation avec les variations des amplitudes observées dans le mouvement du pôle et la longueur du jour. L'excitation des nutations par les couches fluides reste délicate à estimer en raison de la qualité médiocre des données météorologiques dans le domaine diurne, de l'ordre de grandeur très faible de ces effets et de la forte variabilité de l'excitation. Nous montrons aussi que le moment cinétique de l'atmosphère est affecté par le moment de force lunisolaire, donnant un effet sur la précession de la Terre solide dont la valeur est supérieure à la précision des observations actuelles (Bizouard & Lambert 2001, P&SS). Dans le cadre de l'implémentation du modèle de précession-nutation IAU2000A, il est devenu nécessaire de considérer tous les effets sur l'orientation terrestre dont les amplitudes atteignent quelques dizaines de microsecondes d'arc. Parmi eux, il y a ceux provoqués sur les nutations par les variations de l'ellipticité dynamique de la Terre. Ces dernières induisent, par conservation du moment cinétique de la Terre solide, des changements dans la vitesse de rotation et sont déjà prises en compte dans le Temps Universel (UT1). Elles sont modélisées pour des modèles de Terre plus ou moins raffinés. L'effet de telles variations sur les nutations a été évalué plus récemment sous plusieurs approches présentant des résultats disparates. Dans la troisième partie de cette thèse, nous élucidons les différences et nous déterminons un modèle exhaustif pour une Terre réelle permettant de corriger les angles de nutation (Lambert & Capitaine 2004, A&A).

Dans cette thèse sont présentés les résultats de l'expérience E99-007, qui a mesuré le rapport des facteurs de forme électrique et magnétique du proton, jusqu'au quadri-moment de transfert Q2 = 5.6 GeV2, par polarisation de recul. Les données ont été prises en 2000 au Thomas Jefferson National Accelerator Facility en Virginie, Etats-Unis. Un faisceau d'électrons polarisés de 4.6 GeV a été diffusé sur une cible d'hydrogène liquide. La polarisation du proton de recul était mesurée dans le Polarimètre du Plan Focal, situé à l'extrémité de l'un des deux Spectromètres à Haute Résolution du Hall A. Le rapport des composantes transverse et longitudinale de la polarisation du proton de recul est proportionnel au rapport des facteurs de forme. Les événements élastiques étaient identifiés en détectant l'électron diffusé dans un calorimètre en verre au plomb de grande acceptance. Le résultat principal de cette expérience est la décroissance linéaire du rapport des facteurs de forme quand Q2 augmente, correspondant à des distributions spatiales différentes de la charge électrique et de la magnétisation. De nombreux calculs théoriques montrent que des effets relativistes, comme le mélange des états de spin dûs à des transformations de Lorentz, doivent être pris en compte pour expliquer les résultats observés dans cette région cinématique critique.

Cette thèse est une étude théorique et expérimentale de l'écoulement d'un fluide dans un cylindre en précession. Elle s'inscrit dans le domaine des écoulements tournants et trouve de nombreuses applications en aéronautique (précession des objets volants avec carburant liquide) et géophysique (influence de la précession terrestre sur la dynamique du noyau externe). Pour des nombres de Reynolds modérés, l'écoulement d'un fluide en précession est une rotation solide à laquelle se superposent des ondes appelées modes de Kelvin. Ces ondes deviennent résonnantes lorsque leur fréquence propre est égale à la fréquence de précession. Afin de prédire l'amplitude d'un mode de Kelvin résonnant, une théorie visqueuse et faiblement non-linéaire a été développée puis confirmée expérimentalement. Lorsque le nombre de Reynolds augmente, l'écoulement de base devient instable. Des mesures PIV ont montré que cette instabilité est due à une interaction entre le mode forcé par la précession et deux modes de Kelvin libres. Une analyse linéaire de stabilité basée sur un mécanisme de résonance triadique entre modes de Kelvin permet de prédire correctement le seuil et le taux de croissance de l'instabilité. Cette instabilité est saturée par un mode géostrophique créé par l'interaction non-linéaire et visqueuse des modes de Kelvin libres avec eux même. En accord avec les expériences, une théorie faiblement non-linéaire montre que les amplitudes des modes de Kelvin sont stationnaires ou oscillantes (cycles intermittents) en fonction du nombre de Reynolds. Finalement, le point fixe des équations non-linéaires (système dynamique à quatre degrés de liberté) prédit correctement l'écoulement moyen à l'intérieur du cylindre, même pour des très grands nombres de Reynolds (i.e. Re > 50000).

L'étude porte sur le transport, électronique et de spin, dans des microstructures et nanostructures à base de silicium, le matériau phare de l'industrie microélectronique.<br />Nous avons étudié un procédé de lithographie assistée par microscope à force atomique (AFM) pour fabriquer des nanofils sub-100-nm ultraminces (8 à 15 nm) de silicium, connectés à une structure de test sur silicium sur isolant (SOI). Les mesures électriques ont mis en évidence le comportement de transistor à effet de champ (FET) des nanocircuits. Le piégeage des électrons aux défauts d'interfaces et de l'oxyde, est la cause de la déplétion cumulative des fils ultraminces au cours des mesures successives I(V). Le dépiégeage peut être contrôlé par application d'une tension sur la grille du nanofil. Les fils ont ainsi révélé un effet mémoire (écriture/lecture par piégeage/dépiégeage sous tension de grille positive/négative).<br />Nous avons par ailleurs étudié le transport du spin dans un canal de silicium. L'étude théorique a souligné la possibilité d'utiliser un faible champ magnétique pour manipuler le spin en obtenant des longueurs de précession et de diffusion de spin micrométriques, compatibles avec la technologie actuelle. L'injection et la collecte électriques ont été réalisées dans un dispositif mémoire magnétique intégrée sur silicium (MEMIS), similaire à un SpinFET. Néanmoins, la qualité des jonctions hybrides métal ferromagnétique/isolant/silicium (FMIS) conditionnent l'efficacité d'injection et de collecte du spin et de l'effet de magnétorésistance ; dans ce sens, nous avons exploré quelques techniques d'élaboration de jonctions Co/AlO/Si et Co/MgO/Si avec des oxydes minces de l'ordre du nanomètre. Nous avons obtenu des jonctions FMIS avec une injection électrique par tunnel direct, ce qui présente une piste prometteuse pour l'injection cohérente du spin. Nous avons également caractérisé des jonctions redresseur semiconducteur ferromagnétique /semiconducteur (MSS) du type Ge3Mn5/Ge qui se sont avérées très intéressantes pour l'injection du spin.

Une grande quantité d'énergie est présente dans les mouvements de rotations propre et orbitale des planètes. Des forçages harmoniques tels que les déformations de marées, la précession ou la libration peuvent en convertir une partie pour générer des écoulements dans les couches fluides d'une planète. Ces écoulements restent largement méconnus même s'ils sont importants pour contraindre des modèles d'intérieur planétaire ou expliquer la présence de champs magnétiques dans certains astres.Dans cette thèse, nous étudions les mécanismes engendrés par ces forçages en combinant une approche théorique, expérimentale et numérique et soulignons la généricité des phénomènes observés. L'étude d'un forçage de libration longitudinale, i.e. des oscillations de la vitesse de rotation d'un astre, montre la présence d'un écoulement zonal généré par des interactions non-linéaires dans les couches visqueuses. Nous étudions ensuite l'instabilité qui apparaît à la paroi pour des amplitudes de libration suffisantes et qui peut transférer de l'énergie vers le volume du fluide. Finalement, une étude expérimentale de forçage de marées dans une sphère met en évidence que l'excitation directe d'ondes inertielles induit un écoulement zonal intense et localisé. Cet écoulement peut se déstabiliser par une instabilité de cisaillement et générer un écoulement turbulent dans tout le volume.Pour finir, nous considérons la pertinence de ces résultats pour des applications géo-/astrophysiques, telles que l'étude des océans internes sous la surface de glace des satellites joviens Ganymède, Encelade et Europe. / A huge amount of energy is stored in the spin and orbital motions of any planet. Harmonic forcings such as libration, precession and tides are capable of conveying a portion of this energy to drive intense three-dimensional flows in liquid layers of planetary bodies. The generated flows remain largely unknown even if they are important to constraint model of planetary interior or to explain the presence of magnetic fields in some astrophysical bodies.In this thesis, we study the mechanisms induced by these forcings by combining theoretical, experimental and numerical approaches and we highlight the genericity of the observed phenomena. The study of a longitudinal libration forcing, corresponding to oscillations of the rotation rate of a planet, shows the presence of a mean zonal flow generated by non-linear interactions in the viscous layers. We then study the instability which appears at the outer boundary at sufficiently large libration amplitude or small Ekman number and which can transfer energy to the bulk of the fluid. Finally, an experimental study of tidal forcing in a sphere shows that the nonlinear self-interaction of excited inertial waves may drive an intense and localised axisymmetric jet, which becomes unstable at low Ekman number following a shear instability, generating space-filling turbulence.To conclude, we consider the relevance of these results to geo-/astrophysical applications, such as the subsurface oceans of the icy satellites Ganymede, Enceladus or Europa.

La distribution des masses à l'intérieur de la Terre régit la vitesse de rotation terrestre, ainsi que le comportement de l'axe de rotation terrestre dans la Terre, et dans l'espace. Ces distributions de masses peuvent être mesurées depuis l'espace grâce aux satellites artificiels, dont l'orbitographie donne accès à la détermination du champ de gravité terrestre. Par conséquent, les variations temporelles du champ de gravité peuvent être reliées aux variations des paramètres d'orientation terrestre (via le tenseur d'inertie). Des progrès considérables ont été effectués ces dernières années dans la modélisation des effets des couches fluides. Et de nos jours, les mesures d'orientation terrestre dans l'espace obtenues par Interférométrie à très Longue Base (VLBI) ont une exactitude meilleure qu'une milliseconde de degré. Ceci permet de progresser dans la connaissance de la dynamique globale de la Terre. Mon travail de thèse a eu pour but d'utiliser la mesure du champ de gravité et de ses variations comme outil pour compléter la modélisation de la rotation terrestre. D'une part, en vue de l'utilisation des mesures du satellite GRACE, d'une grande précision, nous avons effectué des comparaisons précises des méthodes numériques d'intégration d'orbite de Cowell et d'Encke dans le logiciel GINS du GRGS. D'autre part, nous avons établi les liens théoriques entre les Paramètres d'Orientation Terrestres (EOP) et les variations des coefficients du champ de gravité. Ainsi, nous avons utilisé les données de variations temporelles des coefficients de degré 2 du géopotentiel pour en déduire leur influence sur la longueur du jour, le mouvement du pôle et la précession de l'équateur.

L'instabilité elliptique peut apparaître dès qu'un écoulement présente des lignes de courant elliptiques. Sa prise en compte en géo- et astrophysique pose de nombreuses questions qui constituent la motivation principale de ce travail théorique, numérique et expérimental. Après une introduction aux écoulements tournants, le chapitre 1 présente les trois forçages mécaniques qui seront considérés dans ce travail: les marées, la précession et la libration. Le chapitre 2 présente les premières simulations de l'instabilité en géométrie ellipsoïdale, qui nous permettent d'obtenir des lois d'échelles la caractérisant. La section 2.4 montre que la présence simultanée de marées et de libration est susceptible d'exciter une instabilité elliptique au sein des astres synchronisés. La section 2.5 développe et valide une théorie analytique sur l'interaction des marées et de la précession. La section 2.6 démontre que l'instabilité elliptique peut se développer à partir d'écoulements convectifs ou stratifiés. Le chapitre 3 s'intéresse à la magnétohydrodynamique (MHD) de l'instabilité. De nouveaux résultats sur l'aspect inductif de l'instabilité sont obtenus et validés numériquement. Une partie expérimentale liée à ce travail est ensuite décrite, basée sur un dispositif MHD. Après une étude de l'instabilité sous champ, le dispositif est modifié afin de mettre en place une dynamo synthétique. Le chapitre 4 étudie la présence de l'instabilité elliptique au sein de planètes, lunes et étoiles connues. Le cas particulier de la Lune est d'abord considéré et un scénario, basé sur l'instabilité elliptique, est proposé puis évalué pour expliquer la dynamo lunaire primitive. Les astres telluriques sont ensuite considérés dans un cadre plus général, et une étude de stabilité adaptée montre que l'instabilité est possible sur la Terre primitive, Europe et trois exoplanètes (55CnCe, CoRoT-7b et GJ1214b). Enfin, la possible existence de l'instabilité au sein de certains systèmes extra-solaires est considérée.

Le spin d'un porteur dans une boîte quantique semiconductrice constitue une observable bien protégée des mécanismes de relaxation fonctionnant dans les matériaux massif, et constitue ainsi un candidat prometteur pour devenir un nouveau support de l'information, dans des dispositifs pour l'électronique de spin et le calcul quantique. Dans cette thèse, plusieurs aspects de la dynamique de spin du trou dans les BQs d'InAs sont abordés. La première partie est consacrée à la description microscopique de l'expérience pompe-sonde résolue en polarisation ainsi qu'à l'exposé des mécanismes de polarisation de spin du trou sous excitation résonnante et non résonnante. Dans un second temps, la question des mécanismes qui induisent la relaxation complète du spin du trou est adressée. La polarisation de spin du trou relaxe partiellement par interaction hyperfine dans un temps caractéristique d'environ 10 ns. Pour étudier des dynamiques plus longues, nous avons mis au point une technique de détection originale permettant de sonder des dynamiques millisecondes. Afin de confirmer la nature exacte des processus mis en jeux, les dépendances du temps de relaxation de spin du trou en fonction du champ magnétique et de la température ont été étudiées. Nous avons également mené une étude sur la possibilité de polariser les spin nucléaires de la boîte quantique. La polarisation dynamique des noyaux a déjà été observée dans les boites quantiques. Néanmoins cette polarisation a toujours été associée à l'électron. Nous avons obtenu une signature de la polarisation nucléaire qui pourrait être induite par le spin du trou. Cette polarisation nucléaire se manifeste par un champ magnétique effectif sur le trou de l'ordre du milliTesla. La polarisation nucléaire dotée d'un temps de vie de spin très long (ms) peut, à son tour devenir, un support robuste de l'information de spin. Le dernier traite de la cohérence du Qbit formé par le spin du trou. Pour obtenir des informations sur ce point, nous avons réaliser des expériences en champ magnétique transverse où l'on mesure la projection du spin suivant une direction orthogonale à la base des états stationnaires de l'énergie. A travers la synchronisation des modes de précession des différentes boîtes quantiques, nous avons déterminé le temps de cohérence intrinsèque du spin du trou aux alentours d'une microseconde. Une valeur de cette ordre démontre, d'une part, l'intérêt du spin du trou en tant que brique élémentaire pour coder l'information quantique, et d'autre part, ouvre la porte à des manipulations fines comme le contrôle de la phase du Qbit par effet Stark optique.

Le rayonnement Térahertz, ou infrarouge lointain, couvre la bande spectrale de 100 GHz à 10 THz. Cette<br />partie du spectre électromagnétique est encore peu exploitée et a souvent été qualifiée de "gap spectral" en raison des nombreuses difficultés à émettre ce rayonnement à des puissances exploitables. Deux spectromètres dans la gamme THz ont été développés et exploités. Le premier, basé sur la spectroscopie résolue en temps, utilise des impulsions THz et permet d'obtenir un spectre de quelques GHz à 1,2 THz en quelques minutes avec une résolution de l'ordre du GHz. Le second est un spectromètre continu basé sur le photomélange avec<br />une extension spectrale de 3 THz et une pureté spectrale de 5 MHz. Après des descriptions analytiques et des caractérisations expérimentales des dispositifs, nous nous sommes intéressés à l'étude, à la surveillance et à la détection des polluants atmosphériques dans l'infrarouge lointain en exploitant les deux instruments pour l'analyse de la fumée de cigarette qui représente un excellent exemple de milieu hostile. Cette étude révèle la présence d'acide cyanhydrique (HCN), de monoxyde de carbone (CO), et de formaldéhyde (H2CO). Les concentrations de ces espèces ont été déduites des formes de raies puis confirmées et comparées à des<br />mesures par méthodes chimiques. La partie fondamentale de ce travail est d'étudier la réponse d'un gaz suite à une excitation subpicoseconde : les signaux de précession libre dans le sulfure de carbonyle (OCS) qui consiste en une série d'impulsions transitoires. Un modèle théorique permet d'interpréter classiquement ces impulsions réémises. La décroissance quasi exponentielle des impulsions transitoires est liée à la largeur de raie des transitions de rotation et les informations d'anharmonicité sont observées sur les formes de ces<br />impulsions qui sont principalement dues à la propagation, à la dispersion et à la distorsion centrifuge.