In this thesis, three parts, each with several chapters, are respectively devoted to hydrostatic, viscous and inertial fluids theories and applications. In the hydrostatics part, the classical Maclaurin spheroids theory is generalized, for the first time, to a more realistic multi-layer model, which enables the studies of some gravity problems and direct numerical simulations of flows in fast rotating spheroidal cavities. As an application of the figure theory, the zonal flow in the deep atmosphere of Jupiter is investigated for a better understanding of the Jovian gravity field. High viscosity flows, for example Stokes flows, occur in a lot of processes involving low-speed motions in fluids. Microorganism swimming is such typical a case. A fully three dimensional analytic solution of incompressible Stokes equation is derived in the exterior domain of an arbitrarily translating and rotating prolate spheroid, which models a large family of microorganisms such as cocci bacteria. The solution is then applied to the magnetotactic bacteria swimming problem and good consistency has been found between theoretical predictions and laboratory observations of the moving patterns of such bacteria under magnetic fields. In the analysis of dynamics of planetary fluid systems, which are featured by fast rotation and very small viscosity effects, three dimensional fully nonlinear numerical simulations of Navier-Stokes equations play important roles. A precession driven flow in a rotating channel is studied by the combination of asymptotic analyses and fully numerical simulations. Various results of laminar and turbulent flows are thereby presented. Computational fluid dynamics requires massive computing capability. To make full use of the power of modern high performance computing facilities, a C++ finite-element analysis code is under development based on PETSc platform. The code and data structures will be elaborated, along with the presentations of some preliminary results.

Les développements récents des nanotechnologies ont permis d’accéder à des dimensions qui permettent d’’étudier les spins des électrons. Ceci ouvre la voie à l’utilisation du degré de liberté du spin des électrons dans des dispositifs électroniques de nouvelle génération. C’est l’origine d’un nouveau domaine de recherche prometteur baptisé spintronique.Dans ce travail, on présente des expériences dans le domaine de la spintronique en utilisant deux matériaux très prometteurs : les nanotubes de carbone (CNT) et le palladiumnickel (PdNi), un ferromagnet versatile dans le but de manipuler le spin électronique dans les deux régimes, classiques et quantiques. Une compréhension détaillée des caractéristiques magnétiques de PdxNi 100-x devient cruciale à la fois pour comprendre les caractéristiques de basculement d’un tel dispositif mais aussi pour optimiser ses propriétés électroniques.Une étude sur des structures micrométrique et nanométrique en PdNi a été menée grâce à des mesures de l’effet Hall extraordinaires (EHE sur des croix lithographiées). Les analyses montrent que la géométrie, l’épaisseur, la composition chimique ainsi que la couche de recouvrement, ont tous une influence sur l’aimantation des électrodes de PdNi, en particulier celles de taille nanométrique. Cela est dû à la relaxation des contraintes sur les bords qui devient important pour les dispositifs de petites dimensions.On met en place un point quantique connecté `a deux contacts ferromagnétiques non colinéaires (source et drain), évaporées sur le CNT; le nanotube est connecté à une tension de grille pendant qu’une source de tension source-drain est utilisée pour varier le potentiel chimiques des ferromagnets. Les électrodes sont conçues pour former un angle téta = Pi/2. On attend alors un comportement similaire à celui d’une vanne de spin, donc un effet fini de magnétorésistance à effet tunnel est à prévoir.Des mesures de transport de spin ont révélé un régime de blocage de Coulomb, confirmé par la spectroscopie de transport. Les régimes linéaires et non-linéaires ont été également testés.En régime linéaire, les résultats montrent un signal de TMR lorsqu’il est placé dans un champ qui est balayé, un comportement typique pour un dispositif vanne de spin. Dans le régime non linéaire, ont été obtenues des variations du signal d’hystérésis lorsque la polarisation change de signe. De plus, la TMR affiche un comportement presque antisymétrique avec la conductance. Les mesures réalisées pour différentes valeurs de la tension grille et celle source drain prouvent la non trivialité de ce comportement. Cette variation antisymétrique, qui a la même symétrie que le courant, indique un courant de spin induite par un phénomène de précession. Des simulations théoriques appuient également cette hypothèse: une combinaison de phénomènes d’accumulation de spin (induite par la polarisation en spin du courant) et des phénomènes de relaxation de spin (qui agissent contre la première catégorie) déterminent une précession du spin lors de son passage dans le nanotube. / Recent developments in the field of nanotechnology allowed the access to adequate length scale necesary to closely investigate spins and opened large prospects of using electrons spin degree of freedom in new generation electronic devices. This have lead to the development of a vibrant field dubbed spintronics.Here, we present experiments that combine two very promising materials: namely cardon nanotubes and palladium-nickel (PdNi), with the purpose to manipulate the electronic spin both in the classical and in the quantum regime. We implement a quantum dot connected to two non-collinear ferromagnetic leads that acts as a spin-valve device. The versatility of carbon nanotubes to fabricate quantum dots when connected to PdNi electrodes via tunneling barriers is combined with the particular transversal anisotropy of the PdNi when shaped in nanometric stripes.For devices exploiting actively the electronic spin, however control over classical or quantum spin rotations has still to be achieved. A detailed understanding of the magnetic characteristics of PdxNi 100-x alloy is crucial both for understanding the switching characteristics of such the spin-valve device and for optimizing its electronic properties. We present a magnetic study of Pd20Ni80 and Pd90Ni10 nanostripes by means of extraordinary Hall effect measurements, at low temperature, for various dimensions, thicknesses and capping films. In the case of Pd20Ni80, this experiment is a first at low temperature.The CNT-based device proposed here was tested both in linear and nonlinear transportregimes. While the linear spin dependent transport displays the usual signatures of electronicconfinement, the finite bias magnetoresistance displays an impressive magnetoresistance antisymmetric reversal in contrast with the linear regime. This effect can only be understood if electronic interactions are considered. It is accompanied by a linear dispersion of the zeromagnetoresistance point in the bias-field plane. Simulations based on a proposed model confirm a current induced spin precession, electrically tunable due to the quantum nature ofthe device.

Neste trabalho realizou-se uma analise detalhada das vantagens e desvantagens da sequencia de Precessao Livre no Estado Estacionario (Steady State Free Precession - SSFP) para aquisicao rapida de espectros de Ressonancia Magnetica Nuclear (RMN) de 13C. O regime de SSFP e obtido atraves da aplicacao de um trem de pulsos de mesma fase, duracao e intensidade, separados por um intervalo de tempo (Tp) menor que os tempos de relaxacao longitudinal (T1) e transversal (T2) da amostra. Nestas condicoes e possivel acumular dezenas de espectros por unidade de T1, proporcionando um incremento significativo na razao sinal/ruido (s/r) do espectro. Ao comparar os resultados obtidos com as sequencias de SSFP e convencional (pulsos de 90 graus e T 5T1 p >= ), verificou-se que a SSFP apresentou um ganho medio de 30 vezes no tempo de analise para uma mesma s/r. No entanto, os espectros obtidos com a SSFP apresentam anomalias de fase e amplitude do sinal, decorrente da refocalizacao da magnetizacao na forma de um eco de spin. Comparou-se tambem a SSFP com a sequencia padrao usada para obtencao de espectros de 13C, que utiliza pulsos de 30 graus e Tp = 1.38s. Neste caso os ganhos da SSFP foram menores (5,5 vezes no tempo de analise para uma mesma s/r) verificando que a sequencia padrao utiliza a vantagem da SSFP (Tp < T1, T2). A formacao do eco e, consequente das anomalias de fase nao sao observadas na sequencia padrao, pois a aquisicao do sinal e truncada em 0,9s, e a ciclagem de fase dos pulsos reduz a formacao do eco, por levar a uma perda de coerencia do sinal SSFP. Neste trabalho tambem analisou-se os metodos propostos por Rudakov, Freeman e Hill e Schwenk para supressao destas anomalias nos espectros de RMN 13C quando adquiridos no regime de SSFP. Os resultados demonstraram que a aplicacao destas metodologias proporciona uma melhora significativa na qualidade do espectro. No entanto, verificou-se que nenhum metodo foi capaz de suprimir totalmente as anomalias de fase e amplitude do sinal. / It was performed a detailed analysis of the advantages and disadvantages of Steady State Free Precession (SSFP) sequence for a rapid acquisition of 13C Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectra. The SSFP regime is obtained by the application of a pulse train with the same phase, duration and intensity, separated by a time interval (Tp) shorter than the transverse (T2) and longitudinal (T1) relaxation times. In these conditions it is possible to accumulate tens of spectra per units of T1, providing a significant increase in the spectrum signal-to-noise ratio (s/n). By comparing the spectra obtained by SSFP and conventional pulse sequence (90 degree pulse and T 5T1 p >= ) it was noted that SSFP shows an average gain of 30 times in analysis time for the same s/n. However, the SSFP spectra show phase and intensity anomalies due to the refocusing of the magnetization, generating a spin echo. We also compared the SSFP with the standard 13C pulse sequence, that uses a 30 degree pulses and Tp = 1.38 s. In this comparison the SSFP gain were small (5,5 times in analysis time for the same s/n), because the standard sequence also uses the advantage of SSFP (Tp < T1, T2). The echo signal and the phase anomalies are not observed in the standard sequence because the signal acquisition is truncated at 0.9s and the cycling of the pulse phase, that partially destroy the SSFP coherence. We also analyzed the methods proposed by Rudakov, Freeman and Hill and Schwenk to suppress those anomalies in the 13C NMR spectrum when acquired in SSFP regime. The results showed that the application of these methodologies provides a significant improvement in the spectrum quality. However, it was verified that none of the methods were able to completely eliminate the phase and intensity anomalies.

L'expérience NEIGE (NEtlander Ionosphere and Geodesy Experiment) permettra d'obtenir des informations sur la structure interne de la planète Mars ainsi que sur son atmosphère grâce à l'observation de ses paramètres de rotation (précession, nutation, longueur du jour, mouvement du pôle). Pour quantifier la précision sur ces paramètres grâce à NEIGE, une formulation analytique de l'observable Doppler entre les landers et un orbiteur a été développée, basée sur une orbite Keplerienne précessante sous l'effet de l'aplatissement de la planète et sur un développement au premier ordre en série de Taylor par rapport aux petits paramètres caractérisant les variations de l'orientation de Mars. Cette formulation permet de comprendre simplement le jeu relatif des différents paramètres et permet également de modéliser leurs corrélations. Dans les conditions nominales de l'expérience, les paramètres liés au mouvement du pôle et aux variations saisonnières de l'angle de rotation sont retrouvés avec une précision meilleure que 3 milli-secondes d'arcs. L'incertitude sur le taux de précession ainsi que sur les paramètres liés à l'exitence d'un possible noyau liquide visible dans l'observable Doppler grâce à une amplification (résonance) des nutations, a également été étudiée. Nous montrons qu'à partir des mesures NEIGE, il sera possible de déduire des informations sur la structure interne de Mars, comme l'état liquide ou solide du noyau, son moment d'inertie et son aplatissement. D'autres paramètres ont été pris en compte dans notre étude, notamment les positions des landers, les éléments orbitaux du satellite et les amplitudes des variations du terme d'aplatissement. La modélisation utilisée permet de tester différentes configurations de mission comme le changement d'orbites, de position et nombre de landers ou l'influence du bruit de mesures, afin d'identifier les conditions minimisant les incertitudes sur les paramètres de rotation. Les incertitudes obtenues grâce aux simulations numériques réalisées avec un logiciel d'orbitographie développé par le CNES et celles obtenues par la méthode analytique sont cohérentes. En comparant ces résultats avec ceux des observables Range et Doppler lander-Terre (représentant les mesures réalisées pendant les missions Viking et Pathfinder), on remarque que l'observable Dopple lander-orbiteur est plus efficace pour détecter de petits mouvements en surface grâce à l'effet amplificateur du Doppler quand la distance entre l'observateur et le lander est petite.

Recent developments in the field of nanotechnology allowed the access to adequate length scale necesary to closely investigate spins and opened large prospects of using electrons spin degree of freedom in new generation electronic devices. This have lead to the development of a vibrant field dubbed spintronics.Here, we present experiments that combine two very promising materials: namely cardon nanotubes and palladium-nickel (PdNi), with the purpose to manipulate the electronic spin both in the classical and in the quantum regime. We implement a quantum dot connected to two non-collinear ferromagnetic leads that acts as a spin-valve device. The versatility of carbon nanotubes to fabricate quantum dots when connected to PdNi electrodes via tunneling barriers is combined with the particular transversal anisotropy of the PdNi when shaped in nanometric stripes.For devices exploiting actively the electronic spin, however control over classical or quantum spin rotations has still to be achieved. A detailed understanding of the magnetic characteristics of PdxNi 100-x alloy is crucial both for understanding the switching characteristics of such the spin-valve device and for optimizing its electronic properties. We present a magnetic study of Pd20Ni80 and Pd90Ni10 nanostripes by means of extraordinary Hall effect measurements, at low temperature, for various dimensions, thicknesses and capping films. In the case of Pd20Ni80, this experiment is a first at low temperature.The CNT-based device proposed here was tested both in linear and nonlinear transportregimes. While the linear spin dependent transport displays the usual signatures of electronicconfinement, the finite bias magnetoresistance displays an impressive magnetoresistance antisymmetric reversal in contrast with the linear regime. This effect can only be understood if electronic interactions are considered. It is accompanied by a linear dispersion of the zeromagnetoresistance point in the bias-field plane. Simulations based on a proposed model confirm a current induced spin precession, electrically tunable due to the quantum nature ofthe device.

Les mémoires magnétiques à couple de transfert de spin (STTRAM) sont des mémoires vives non-volatiles et endurantes très prometteuses pour remplacer les mémoires à base de condensateurs. Cependant, pour les technologies actuelles de STTRAM à aimantation planaire ou hors-du-plan, le temps de commutation est limité à 10~ns car le processus de renversement de l'aimantation est stochastique, déclenché par les fluctuations thermiques. Dans l'optique de rendre la commutation déterministe et plus rapide, une approche consiste à ajouter à la jonction tunnel magnétique une autre couche polarisante en spin, avec une aimantation orthogonale à celle de la couche de référence. Nous nous sommes intéressé plus particulièrement aux jonctions tunnels magnétiques planaires avec un polariseur perpendiculaire (à aimantation hors du plan). Le STT du polariseur perpendiculaire amorce le retournement d'aimantation, mais il provoque aussi des oscillations de la résistance de la jonction entre ses valeurs extrêmes. Cette particularité est mise à profit pour la réalisation de nano-oscillateurs (STO). Dans cette thèse, la dynamique d'aimantation du système comprenant une couche libre planaire, une couche de référence planaire et un polariseur perpendiculaire est étudiée, aussi bien expérimentalement que théoriquement (analytiquement et en simulations), dans l'approximation de macrospin. Dans le cas d'une couche libre oscillante sous l'action du STT du polariseur perpendiculaire, une description précise de ces oscillations est présentée, dans laquelle le champ d'anisotropie, le champ appliqué et le STT de la couche de référence planaire sont traités en perturbations. Dans le cas d'une couche libre ferrimagnétique synthétique (SyF), les expressions analytiques des courants critiques et des équations du mouvement sont calculées et comparées aux simulations. Ces résultats sont ensuite utilisés pour réaliser le diagramme de phase du système complet. L'anisotropie uniaxiale joue un role important, ce qui est confirmé par des mesures de retournement en temps réel réalisées sur des échantillons de nano-piliers à base de MgO. L'influence relative des STT provenant de la couche de référence et du polariseur perpendiculaire peut être ajsutée en jouant sur le rapport d'aspect des cellules, ce qui permet d'obtenir un retournement controlé en moins d'une nanoseconde avec une STTRAM. / Spin-transfer torque magnetic random-access memory (STTRAM) are very promising non-volatile and enduring memories to replace charged-based RAM. However, in conventional in-plane or out-of-plane STTRAM technologies, the switching time is limited to about 10~ns because the reversal process is stochastic i.e. it is triggered by thermal fluctuations. In order to render the reversal deterministic and faster, an approach consists in adding to the magnetic tunnel junction (MTJ) stack another spin-polarizing layer whose magnetization is orthogonal to that of the MTJ reference layer. We particularly investigated the case where a perpendicular polarizer is added to an in-plane magnetized tunnel junction. The STT from the perpendicular polarizer initiates the reversal, but it also creates oscillations of the resistance between its two extremal values. This behavior is usually interesting to realize STT nano-oscillators (STO). In this thesis, the dynamics of the system comprising an in-plane free layer, an in-plane reference layer and a perpendicular polarizer is studied both experimentally and theoretically (analytically and by simulations) in the framework of the macrospin approximation. For a single layer free layer oscillating due to the STT of the perpendicular polarizer, an accurate description of the oscillations is presented, in which the anisotropy field, the applied field and the in-plane STT are treated as perturbations. In the particular case of a synthetic ferrimagnetic (SyF) free layer, analytical expressions of the critical currents and of the oscillations equation of motion are computed and compared to simulations. These results are used to determine the phase diagram of the complete system. The in-plane anisotropy field is found to play a dramatic role, which is confirmed by experimental data from real-time measurements on MgO-based nano-pillars. It is shown that the cell aspect ratio can be used to tune the relative influence of the STT from the in-plane reference layer and from the out-of-plane polarizer. This allows achieving well controlled sub-nanosecond switching in STTRAM.

Neste trabalho realizou-se uma analise detalhada das vantagens e desvantagens da sequencia de Precessao Livre no Estado Estacionario (Steady State Free Precession - SSFP) para aquisicao rapida de espectros de Ressonancia Magnetica Nuclear (RMN) de 13C. O regime de SSFP e obtido atraves da aplicacao de um trem de pulsos de mesma fase, duracao e intensidade, separados por um intervalo de tempo (Tp) menor que os tempos de relaxacao longitudinal (T1) e transversal (T2) da amostra. Nestas condicoes e possivel acumular dezenas de espectros por unidade de T1, proporcionando um incremento significativo na razao sinal/ruido (s/r) do espectro. Ao comparar os resultados obtidos com as sequencias de SSFP e convencional (pulsos de 90 graus e T 5T1 p >= ), verificou-se que a SSFP apresentou um ganho medio de 30 vezes no tempo de analise para uma mesma s/r. No entanto, os espectros obtidos com a SSFP apresentam anomalias de fase e amplitude do sinal, decorrente da refocalizacao da magnetizacao na forma de um eco de spin. Comparou-se tambem a SSFP com a sequencia padrao usada para obtencao de espectros de 13C, que utiliza pulsos de 30 graus e Tp = 1.38s. Neste caso os ganhos da SSFP foram menores (5,5 vezes no tempo de analise para uma mesma s/r) verificando que a sequencia padrao utiliza a vantagem da SSFP (Tp < T1, T2). A formacao do eco e, consequente das anomalias de fase nao sao observadas na sequencia padrao, pois a aquisicao do sinal e truncada em 0,9s, e a ciclagem de fase dos pulsos reduz a formacao do eco, por levar a uma perda de coerencia do sinal SSFP. Neste trabalho tambem analisou-se os metodos propostos por Rudakov, Freeman e Hill e Schwenk para supressao destas anomalias nos espectros de RMN 13C quando adquiridos no regime de SSFP. Os resultados demonstraram que a aplicacao destas metodologias proporciona uma melhora significativa na qualidade do espectro. No entanto, verificou-se que nenhum metodo foi capaz de suprimir totalmente as anomalias de fase e amplitude do sinal. / It was performed a detailed analysis of the advantages and disadvantages of Steady State Free Precession (SSFP) sequence for a rapid acquisition of 13C Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectra. The SSFP regime is obtained by the application of a pulse train with the same phase, duration and intensity, separated by a time interval (Tp) shorter than the transverse (T2) and longitudinal (T1) relaxation times. In these conditions it is possible to accumulate tens of spectra per units of T1, providing a significant increase in the spectrum signal-to-noise ratio (s/n). By comparing the spectra obtained by SSFP and conventional pulse sequence (90 degree pulse and T 5T1 p >= ) it was noted that SSFP shows an average gain of 30 times in analysis time for the same s/n. However, the SSFP spectra show phase and intensity anomalies due to the refocusing of the magnetization, generating a spin echo. We also compared the SSFP with the standard 13C pulse sequence, that uses a 30 degree pulses and Tp = 1.38 s. In this comparison the SSFP gain were small (5,5 times in analysis time for the same s/n), because the standard sequence also uses the advantage of SSFP (Tp < T1, T2). The echo signal and the phase anomalies are not observed in the standard sequence because the signal acquisition is truncated at 0.9s and the cycling of the pulse phase, that partially destroy the SSFP coherence. We also analyzed the methods proposed by Rudakov, Freeman and Hill and Schwenk to suppress those anomalies in the 13C NMR spectrum when acquired in SSFP regime. The results showed that the application of these methodologies provides a significant improvement in the spectrum quality. However, it was verified that none of the methods were able to completely eliminate the phase and intensity anomalies.

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Der mit flüssigem Natrium gefüllte Druckbehälter eines Präzessionsexperimentes unterliegt im Betrieb einer Vielzahl an Belastungen. Neben den aus der Rotation und Präzession resultierenden Fliehkräften und dem gyroskopischen Moment müssen ebenfalls die fertigungsbedingten Unwuchten sowie die Fluid-Struktur-Interaktion berücksichtigt werden. Darüber hinaus stellen die bei der Erwärmung bzw. Abkühlung auftretenden thermischen Spannungen eine wesentliche Beanspruchung dar. Es wird ein Algorithmus vorgestellt, der es ermöglicht, alle diese transienten und winkelabhängigen Lasten bei minimalem Rechenaufwand in den Berechnungsprozess einzubeziehen und die für den statischen und zyklischen Festigkeitsnachweis nach FKM-Richtlinie maßgeblichen Beanspruchungen zu identifizieren. Dies ermöglicht die vollflächige Berechnung des Auslastungsgrades in ANSYS Workbench.