Le présent rapport résume mon travail de recherche sur l'ion Ca+ effectué au cours de la dernière décennie. Les travaux préliminaires effectués dans un piège de Paul classique sont brièvement revus. Il s'agit notamment des mesures de durées de vie dans un nuage d'ions chauds ainsi qu'une étude des effets collisionnels pouvant réduire la durée de vie du doublet métastable 3D. Un piège miniature a ensuite été monté pour permettre l'accès au régime de Lamb-Dicke avec un ion unique. Ce piège a d'abord été caractérisé, avant d'entrer dans une phase d'optimisation du refroidissement laser et de la réduction du nombre des particules. L'observation des sauts quantiques d'un ion unique a servi à la mesure des durées de vie du niveau métastable, préparation pour l'interrogation de la transition d'horloge dans des conditions bien contrôlées. La réduction du micromouvement "excessif" a été abordée par différentes techniques, notamment par l'observation des résonances noires en variant la géométrie des faisceaux lasers. Les travaux en cours sur l'observation du spectre de bandes latérales du mouvement d'un ion unique sur la transition d'horloge sont discutés. L'étude théorique des effets systématiques prépare les conditions expérimentales nécessaires pour la métrologie des fréquences.

Les futurs systèmes d'écoute pour la Guerre Electronique auront à résoudre des problèmes de plus en plus ardus liés à deux types de contraintes :<br />- détecter et reconnaître des signaux de plus en plus variés en puissance et en fréquence,<br />- se protéger contre les dispositifs de brouillage.<br />La fonction d'un limiteur de puissance, placé immédiatement après une antenne réceptrice, est d'éviter la saturation ou la mise hors fonction des éléments sensibles situés en aval, en particulier la chaîne d'amplification à faible niveau.<br />L'objectif de ces travaux financés par une bourse doctorale de la Délégation Générale pour l'Armement est de développer de tels dispositifs en conciliant ces deux contraintes dans une plus large mesure que les dispositifs existants en 2004. Ainsi, une synthèse bibliographique des développements en terme de sources micro-ondes de forte puissance associée à une étude système sera menée afin de déterminer les spécifications attendues du limiteur de puissance. Ces résultats seront ensuite comparés aux valeurs de certification aussi bien civile que militaire, montrant la vulnérabilité de certains systèmes et la nécessité d'un limiteur de puissance.<br />Diverses technologies de limiteurs de puissance, incluant les matériaux ferroélectriques, supraconducteurs ou bien l'utilisation de semi-conducteurs, seront ensuite analysées et comparées avec les spécifications et les contraintes liées aux applications. Il s'avèrera que ces technologies aussi variées soient elles ne répondent pas au cahier des charges lié aux applications militaires ou aéronautiques.<br />C'est ainsi que cette étude se propose d'évaluer une autre technologie basée sur l'utilisation d'électronique sous vide dont on rappellera les principales applications et fondements physiques comme les phénomènes d'émission électronique.<br />Le limiteur proposé s'appuie ainsi sur la dissipation progressive d'une onde électromagnétique le long d'une ligne de transmission chargée par une distribution de diodes à vide. Le dimensionnement de ce type de dispositif fera appel à des outils de simulation électromagnétique mais également particulaire.<br />Ces composants seront ensuite fabriqués en utilisant les moyens de la salle blanche située à l'ESIEE. Compte tenu de leur sensibilité à l'environnement, une encapsulation spécifique sera développée en associant couplage électromagnétique et soudure entre deux substrats afin de garantir une herméticité totale des dispositifs. En effet, la puissance pourra soit être dissipée par émission électronique par effet de champ, soit par la formation d'une décharge plasma. La prépondérance de l'un ou l'autre phénomène dépendra alors de l'environnement d'encapsulation.<br />Les performances hyperfréquences des dispositifs ont également été évaluées dans une bande de fréquences comprises entre 0 GHz et 40 GHz. Les pertes d'insertion liées à l'encapsulation et aux parties limitatrices ont ainsi été déterminées. Des limiteurs de puissance à très faibles pertes par rapport aux autres technologies peuvent ainsi être obtenus.<br />L'étude en puissance de ces limiteurs a également été menée. C'est ainsi que quelques échantillons ont subi une multitude d'impulsions de très forte puissance pouvant aller jusqu'à deux kilowatts à des fréquences situées en bande X. Les résultats de ces mesures montreront une limitation effective de la puissance et la validité du concept de limiteur de puissance basé sur l'utilisation d'électronique sous vide.

De nouvelles architectures de synthétiseur de fréquence sont proposées basées soit sur la mise en parallèle de boucles (PLL composite), soit la mise en oeuvre d'un comparateur PFD multiphase, soit l'introduction d'un ordre non entier dans le filtre de boucle. A chaque fois, une augmentation sensible de la bande passante est obtenue, permettant en retour une optimisation du bruit de phase du générateur de fréquence.

Cette thèse traite de l'étude expérimentale et théorique de deux pièges radiofréquence très anisotropes pour un condensat de Bose-Einstein. Dans le premier piège, les atomes baignant dans un champ magnétique inhomogène sont habillés par un champ rf et confinés sur la surface d'un ellipsoïde iso-magnétique. Nous avons étudié la possibilité d'y observer un gaz dégénéré bidimensionnel. Le second piège a la forme d'un anneau. Il est obtenu en ajoutant au premier piège le potentiel créé par une onde stationnaire lumineuse verticale. Dans ce piège, il est théoriquement possible d'observer un gaz de Bose à une, deux ou trois dimensions simplement en modifiant le nombre d'atomes condensés.

De nombreuses craintes sont aujourd'hui formulées quant à la nocivité des champs de radiofréquences émis par les téléphones portables sur la santé. Etant donné que la tête et la peau sont les organes les plus exposés, la circulation sanguine cérébrale, la microcirculation cutanée au niveau du visage et l'activité électrique du cerveau sont spécifiquement concernées. A cet effet, nous avons mené deux études chez des volontaires adultes sains pour évaluer la vitesse du débit sanguin cérébral dans les artères cérébrales moyennes par Doppler transcrânien et le micro-débit sanguin cutané du visage par laser Doppler fluxmétrique dans la première étude ; et pour détecter d'éventuelles modifications dans l'activité électrique du cerveau par électroencéphalographie dans la deuxième. L'exposition aux radiofréquences était réalisée par deux téléphones issus du commerce, un 'réel' qui émettait des radiofréquences et chauffait en même temps et l'autre 'sham' qui chauffait seulement sans émission. La première étude n'a pas montré d'effet des radiofréquences sur la vitesse du débit sanguin cérébral au niveau des artères cérébrales moyennes, pourtant une augmentation significative du micro-débit sanguin cutané pendant l'exposition 'réelle' par rapport à l'exposition 'sham' a été observée alors que l'augmentation de la température de la peau était identique dans les deux sessions d'exposition 'sham' et 'réelle'. L'activité électrique du cerveau a présenté une diminution dans la puissance spectrale de la bande de fréquence alpha (8-12 Hz) pendant et après l'exposition 'réelle' par rapport à l'exposition 'sham'.

Actuellement, l'évaporation par radiofréquence en piège magnétique reste un passage obligé pour l'obtention de gaz atomiques dégénérés. Afin de piéger magnétiquement et de refroidir un gaz d'atomes de Rubidium 87, nous avons conçu un électroaimant basé sur l'utilisation de matériaux ferromagnétiques, capable de générer de forts gradients pour une puissance électrique modeste. La première version du dispositif se caractérise par une forte valeur du champ magnétique au centre du piège, de l'ordre de 100 Gauss, pour laquelle l'effet Zeeman non linéaire lève la dégénérescence des transitions radiofréquence entre les sous-niveaux magnétiques. Nous avons étudié dans un premier temps le refroidissement évaporatif à une seule radiofréquence dans ce régime. L'évaporation n'est pas perturbée dans le niveau hyperfin F = 1, et nous avons observé la condensation de Bose-Einstein. Par contre, dans le niveau F = 2, le processus d'évaporation est inhibé, et il est impossible de condenser le gaz pour un champ magnétique supérieur à environ 15 Gauss. Dans un deuxième temps, nous avons contourné cette difficulté, soit en évaporant les atomes avec trois radiofréquences distinctes, soit en faisant du refroidissement sympathique, c'est-à-dire en maintenant les atomes dans F = 2 en contact thermique avec un nuage d'atomes dans F = 1, lui-même refroidi par évaporation. Ces deux techniques permettent d'atteindre le seuil de condensation dans F = 2 à relativement fort champ. Enfin, nous avons conçu et réalisé une deuxième version de l'électroaimant permettant de compenser le champ magnétique au centre du piège, tout en conservant l'aptitude à générer de forts gradients. Cette nouvelle génération devrait apporter une solution définitive à l'évaporation des atomes dans F = 2, et déboucher sur la réalisation d'expériences nécessitant un fort confinement ou un potentiel de piégeage très anisotrope.

Les communications sans fil sont de plus en plus présentes dans notre quotidien, et avec elles, les ondes électromagnétiques qui leurs sont associées. Cela a créé un besoin de produits permettant de contrôler la portée du réseau, pour des raisons de sécurité de données, d'augmentation de débit en cas d'interférences avec d'autres réseaux, ou bien pour des raisons sanitaires. A l'inverse, dans d'autres cas, l'amélioration de la transmission de ces ondes est recherchée. Par exemple, dans les bâtiments de nouvelle construction ou rénovées, l'installation de vitrages à isolation renforcée permet d'avoir des bâtiments plus performantes au niveau thermique. Malheureusement, ces vitrages bloquent également les radiofréquences, dont notamment les signaux de téléphonie mobile. L'objectif de la thèse est la conception et le développement de structures filtrantes imprimées sur substrat souple. Dans un premier temps, des solutions de filtrage sélectif coupe bande sont proposées afin d'empêcher autant que possible la transmission d'ondes électromagnétiques, par exemple celles du WiFi entre les pièces d'un bâtiment. Dans un deuxième temps, une solution permettant d'améliorer la transmission des ondes électromagnétiques au travers des vitrages thermiques est proposée. Outre ces études, un système de caractérisation permettant de caractériser finement ces structures FSS a été développé lors de ces travaux de thèse. / Nowadays wireless communication systems are more and more present in our lives, and with them, electromagnetic waves associated to them. A need of products capable to control the range of the network has appeared, for data security reasons, for data rate increase in case of network interferences or for health reasons. On the opposite, in other cases, improving the transmission of these waves is desired. For instance, in new construction or renovated buildings, energy saving windows allows having more efficient buildings thermal speaking. Unfortunately, those windows also block radiofrequencies, including mobile phone signals. The aim of this thesis is the design and development of filtering structures printed on flexible substrate. First, stop band selective filtering solutions are proposed in order to block as much as possible transmission waves, for instance, WiFi in between different rooms of the same building. Secondly, a solution to improve electromagnetic wave transmission through energy saving windows is proposed. In addition to these studies, a characterization system for testing these FSS structures has been developed during this thesis work.

Les travaux de thèse présentés se situent dans le contexte de la conception de circuits intégrés en technologie CMOS avancée pour des applications radiofréquence à très faible consommation de puissance. Les circuits sont conçus à travers deux concepts. Le premier est l'utilisation du coefficient d'inversion qui permet de normaliser le transistor en fonction de sa taille et de sa technologie, ceci permet une analyse rapide pour différentes performances visées ou différentes technologies. La deuxième approche est d'utiliser un facteur de mérite pour trouver la polarisation la plus adéquate d'un circuit en fonction de ses performances. Ces deux principes ont été utilisés pour définir des méthodes de conception efficaces pour deux blocs radiofréquence : l'amplificateur faible bruit et l'oscillateur. / Thesis work are presented in the context of the integrated circuits design in advanced CMOS technology for ultra low power RF applications. The circuits are designed around two concepts. The first is the use of the inversion coefficient to normalize the transistor as a function of its size and its technology, this allows a quick analysis for different performances or different technologies. The second approach is to use a figure of merit to find the most appropriate polarization of a circuit based on its performance. These two principles were used to define effective design methods for two RF blocks: low noise amplifier and oscillator.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre d’un projet visant à développer un robot mobile autonome capable de réaliser des tâches spécifiques dans une zone préalablement définie par l’utilisateur. Afin de faciliter la mise en œuvre du système, des balises radiofréquences fournissant des mesures de distance par rapport au robot sont disposées au préalable autour du terrain. Le déploiement du robot s’effectue en deux phases, une première d’apprentissage du terrain, puis une seconde, où le robot effectue ses tâches de façon autonome. Ces deux étapes nécessitent de résoudre les problèmes de localisation et de localisation et cartographie simultanées pour lesquels différentes solutions sont proposées et testées en simulation et sur des jeux de données réelles. De plus, afin de faciliter l’installation et d’améliorer les performances du système, un algorithme de placement des balises est présenté puis testé en simulation afin de valider notamment l’amélioration des performances de localisation. / This thesis is part of a project which aims at developing an autonomous mobile robot able to perform specific tasks in a preset area. To ease the setup of the system, radio-frequency beacons providing range measurements with respect to the robot are set up beforehand on the borders of the robot’s workspace. The system deployment consists in two steps, one for learning the environment, then a second, where the robot executes its tasks autonomously. These two steps require to solve the localization and simultaneous localization and mapping problems for which several solutions are proposed and tested in simulation and on real datasets. Moreover, to ease the setup and improve the system performances, a beacon placement algorithm is presented and tested in simulation in order to validate in particular the improvement of the localization performances.

Dans cette thèse, j’étudie la compressibilité électronique de deux isolants topologiques tridimensionnels : Le tellurure de mercure (HgTe) sous contrainte et le séléniure de bismuth (Bi2Se3).Je présente des mesures d’admittance électronique à basse température résolues en phase sur une large gamme de fréquence. Cela permet d’extraire la capacité quantique associé à la densité d’états et la résistivité des matériaux étudiés.Nous montrons qu’un isolant topologique intrinsèque présente une réponse dominée par les états de surface topologiques sur une large gamme d’énergie qui s’étend au-delà du gap de transport du matériau massif. Ce régime, appelé « écrantage de Dirac », est caractérisé par une compressibilité électronique proportionnelle à l’énergie de surface et une haute mobilité.Dans la suite, nous nous intéressons à la limite de ce régime. Nous observons qu’à haute énergie et sous l’influence de forts champs électriques perpendiculaires, des états excités massifs de surface sont peuplés ce qui se manifeste expérimentalement de différentes façons : Une chute dans la constante de diffusion électronique, un pic de conductivité ainsi que l’apparition d’un deuxième type de porteurs en magnéto-transport et de métastabilité dans la relation charge-tension.Un modèle théorique basé sur un traitement quasi-relativiste du Hamiltonien de surface est présenté. Il permet d’identifier la dépendance en énergie et champ électrique des états massifs de surface.Cette thèse est complémenté par des résultats expérimentaux sur Bi2Se3 obtenu par croissance sur nitrure de bore mettent en évidence l’importance de la pureté des interfaces d’isolants topologiques. / This thesis discusses the electronic compressibility of two representative three dimensional topological insulators: Strained mercury telluride (HgTe) and bismuth selenide (Bi2Se3).I present low temperature phase-sensitive electron admittance data over a broad frequency range. This allows to extract the quantum capacitance related to the density of states and the resistivity of the investigated materials.We show that the response of an intrinsic topological insulator is dominated by topological surface states over a large energy range exceeding the bulk material’s transport gap. This regime, named “Dirac screening” is characterized by an electron compressibility proportional to the surface Fermi level and a high mobility.Subsequently, we investigate the limits of this regime. At high energy and large perpendicular electric fields we observe the population of excited massive surface states. Experimentally, these manifest themselves in multiple signatures: A drop in the electronic diffusion constant, a peak in the conductivity, appearance of a second carrier type in magneto-transport and meta-stability in the charge-voltage relation.A theoretical model based on a quasi-relativistic treatment of the surface Hamiltonian is presented. It allows to identify the electric field and energy dependence of the massive surface states.This thesis is complemented by experimental results on Bi2Se3 grown on boron nitride, where we demonstrate the importance of clean surfaces for the study of electronic properties in topological insulators.