La thèse est une contribution à la réduction de la consommation d'énergie primaire et à une meilleure utilisation des sources d'énergie renouvelables dans le cadre des systèmes de refroidissement utilisés dans le bâtiment. Après un état de l'art sur les systèmes de refroidissement, un modèle dynamique d'un système de rafraîchissement solaire à base de machine à absorption est développé et simulé. Ensuite, un facteur d'efficacité pour comparer la pertinence de ce système dans différentes régions du monde est défini. Dans la troisième partie, la notion des systèmes de refroidissement hybride -une méthode efficace contribuant à la réduction de la consommation d'énergie primaire- est présentée. Puis, les systèmes hybrides de refroidissement sont classés en catégories et sont comparés avec les systèmes de refroidissement individuels. Ensuite, un schéma permettant de sélectionner le meilleur système de refroidissement hybride dans des conditions données est proposé. Dans la dernière partie, une méthode de dimensionnement d’un système hybride à base d’énergies renouvelables est établie. Ainsi, le dimensionnement est réalisé en tenant compte de la région spécifique d’utilisation. Pour ce faire, un système de refroidissement hybride, conçu pour une maison standard, est modélisé puis simulé en utilisant le logiciel Trnsys. Finalement, et pour illustrer la méthode proposée, la problématique de dimensionnement est considérée pour deux régions différentes du globe; à savoir Marseille-France et Beyrouth-Liban. Le but est d’évaluer les performances de la méthode, à travers des données effectives, pour diverses conditions climatiques, prix des composants et tarif d'électricité. / This thesis is a contribution towards the reduction of primary energy consumption and a better use of the renewable energy sources within the cooling system for building use. After a state of the art of the cooling machines for building use, a dynamic model for a solar absorption cooling system is developed and simulated. Then, an effectiveness factor (EF) for the comparison of solar absorption chiller suitability in different locations is defined. In the third chapter, the concept of hybrid cooling system -an efficient method contributing to the reduction of primary energy consumption- is presented. Hybrid cooling systems are categorized and reviewed, with the improvement achieved compared to standalone technologies. Then, a scheme for the selection of the best hybrid cooling system for given conditions is proposed. In the last part, an optimal sizing method that defines, in a specific region, a hybrid cooling energy system, economically feasible with maximum renewable energy share is presented. Thereby, the sizing method is performed taking into account the region where it will be used. For this purpose, a hybrid cooling system, used for a standard residential house, is designed. The system is modeled and simulated using a transient system simulation program, called Trnsys. Finally, the problem of sizing is studied for different case studies; namely Marseilles-France and Beirut-Lebanon. The aim is to assess the proposed method according to diverse climatic conditions, component prices and electricity costs.

Ces dix dernières années ont vu émerger des avancées technologiques majeures, nous permettant capturer une image instantanée des processus physique. L'amélioration systématique de la résolution temporelle de ces instants, grâce aux lasers (de différente sorte) aux impulsions ultracourtes, a joué un rôle important dans l'exploration des transitions de phases photo-induites dans différents matériaux, et leur potentiel applicatif. Néanmoins, ce progrès technologique incontestable a poussé à ses limites notre capacité de décrire les phénomènes hors-équilibre très complexes qui pilotent les transitions. Ils sont intrinsèquement multi-échelles dans le temps et dans l'espace, s'étalant de la femtoseconde aux plusieurs jours, et de la dimension atomique jusqu'à celle d'un cristal macroscopique. Les expériences résolues en temps permettent de séparer temporellement différents dégrées de liberté et les phénomènes pilotés par ceux-ci, au lieu d'observer seulement leur moyenne statistique. La première étape (processus photo-induit) de cette séquence temporelle est liée à l'absorption d'un photon, la deuxième (élastique) est pilotée par la dilation du volume macroscopique du matériau, et la troisième étape (thermique) est due aux effets de chaleur. Cette approche séquentielle offre de nouvelles possibilités pour mieux comprendre comment impacter les matériaux de façon contrôlée et efficace. Les lasers opérant dans le moyen infrarouge (mid IR) permettent de suivre le déroulement d'une transition de phase par le changement de vibrations des molécules/liaisons ciblées. Cette spécificité au site moléculaire combinée avec la résolution en temps ultracourte devrait ouvrir une nouvelle fenêtre d'observation des phénomènes qui échappaient aux études scientifique. Ce travail de thèse a commencé exactement dans cet esprit. L'effort majeur a été dédié à l'application de la spectroscopie mid IR ultrarapide aux matériaux présentant une conversion de l'état de spin, [Fe(3-MeO-SalEen)]2PF6 en particulier. La principale difficulté de ce travail consistait à décrypter le contenu spectral des molécules hors-équilibre. Nous avons découvert que l'approche utilisé dans les spectroscopies résolues en temps de plus haute énergie (UV/VIS) ne suffit pas pour étudier la problématique posé dans le cadre de cette thèse. Une nouvelle approche a été pensée pour modéliser les spectres résolus en temps, et celle-ci consistait à séparer la réponse spectrale en deux contributions : le transfert de poids spectral, et un décalage spectral. J'ai pu démontrer que ces deux contributions suivent sensiblement le changement d'état de spin, et la pression (dilatation du volume). L'analyse de données basée sur ce modèle, corrobore les résultats obtenus jusqu'alors avec d'autres techniques. Sur l'échelle de temps ultracourts, plus difficile à modéliser, nous avons pu néanmoins résoudre très clairement le refroidissement vibrationnelle (VC) de l'état électronique haut spin -chaud. A ma connaissance, ce phénomène dans un système solide présentant crossover de spin n'a jamais été observé directement. / The past few decades have seen great advancements in technology that allow us to capture the picture of a physical process, as the adage “seeing is believing” implies how people understand the world. The increasing temporal resolution of lasers played an important role in the study of materials, among which materials exhibiting photo-induced phase transition are of great importance thanks to their potential for future applications. However, as we proceed further and further in the investigation of the mechanism of phase transition, we found ourselves confronted with the very complex nature of phase transition dynamics. It is intrinsically multi-scale in time and space, from femtosecond to days and from atomic dimensions to macroscopic distances. Time resolved experiments disentangle different degrees of freedom and different phenomena in a step-like manner, rather than providing a statistical average. The first step is photo induced due to absorption of photons, the second step (elastic step) is pressure induced due to volume dilation, and the third step is temperature induced due to dissipation of heat. This step-like approach offers an opportunity to understand the mechanism, so that we could effectively impact the materials and possibly control phase transition. Mid IR lasers have a unique advantage of monitoring phase transition through vibrational modes on specific molecular sites. Implementing ultrafast mid IR spectroscopy in phase transition materials should be therefore very insightful in discovering new phenomena and revealing hidden mechanism. This PhD project, focusing on mid IR technique, started exactly in this context. The main effort is dedicated to the application of ultrafast mid IR spectroscopy to the spin crossover solids, [Fe(3-MeO-SalEen)]2PF6. The major challenge in this work was to comprehend the shape of transient mid IR spectra. We found out that this is conceptually different from the experiences accumulated in UV/VIS spectroscopy. A suitable model had to be developed, separating the transient IR spectra into two contributions: spectral weight transfer and spectral shift. I demonstrated that these two components are sensitive to the spin change and pressure effect (volume dilation), respectively. Data analysis based on the new model shows consistency with previously published results. On the ultrafast timescale, more difficult to fit our model to, vibrational cooling (VC) of electronically hot HS state has been very well resolved. To the best of my knowledge, direct observation of VC in solid state SCO compound by IR spectroscopy has not been reported earlier.

Le travail de recherche réalisé dans le cadre de mon projet de doctorat a consisté à concevoir, construire et caractériser un nouveau dispositif expérimental fondé sur une source atomique refroidie par évaporation dans un piège dipolaire optique. Il vise à améliorer l’incertitude sur la mesure du rapport h/m entre la constante de Planck et la masse d’un atome de rubidium, en réduisant l’effet de la phase de Gouy et de courbure du front d’onde.Dans un premier temps, nous avons étudié différentes configurations optiques pour optimiser le taux de chargement du piège dipolaire : le faisceau de 50 W à 1070 nm est mis en forme pour constituer un double faisceau réservoir de 93 µm de waist, ainsi qu’un faisceau fin croisé de waist 20 µm. Après avoir optimisé et caractérisé le processus d’évaporation, nous avons obtenu un condensat de Bose-Einstein.Par ailleurs, nous avons mis en place, pour l’interférométrie Raman, un nouveau système laser utilisant des sources primaires à 1560 nm doublées en fréquence. Nous avons conçu un double asservissement : il permet d’une part d’asservir en phase les deux sources laser et, d’autre part, de corriger le bruit de phase accumulé dans les amplificateurs à fibres.Le nouveau dispositif expérimental est aujourd’hui prêt à réaliser l’interférométrie atomique sur le condensat de Bose-Einstein. / This research work fulfilled as part of my PhD project involved to design, build and characterise a new experimental setup based on an atom source by evaporative cooling in an optical dipole trap. It goes after the improvement of the uncertainty on the measurement of the ratio h/m between Planck’s constant and the rubidium atom mass, reducing the Gouy phase and wavefront curvature.In a first step we have studied several optical configurations to optimise the dipole trap loading: the 50 W beam at 1070 nm is shaped in a double 93 µm waist reservoir and one crossed 20 µm waist dimple. After having optimised and caracterised the evaporative process, we obtained one Bose-Einstein condensate.Furthermore, for Raman interferometry, we set up a new laser system at 1560 nm based on frequency doubling. We developed a double cervo loop: on the one hand, it allows to phase lock the two laser sources, and on the other hand to correct phase noise accumulated in fibered amplifiers.Today, our new experimental setup is ready to perform atom interferometry on a Bose-Einstein condensate.

Dans ce manuscrit, nous présentons le développement d'un résonateur optimisé pour observer des effets quantiques du couplage entre un resonateur mécanique et le champ electromagnétique via la pression de radiation. Celui-ci doit combiner une réflectivité élevée, une faible masse, ainsi qu'un facteur de qualité mécanique élevé. Le résonateur consiste en une membrane suspendue de quelques centaines de nanomètres d’épaisseur, et de quelques dizaines de microns de côté, présentant une réflectivité importante grâce à l'utilisation de cristaux photoniques. Après une étude détaillée de la physique d'un cristal photonique en incidence normale, nous présentons les résultats expérimentaux, en bon accord avec des simulations optiques, notamment lorsque la membrane est utilisée comme miroir de fond d’une cavité Fabry-Perot. Dans un second point, nous passons en revue les mécanismes d'amortissement mécanique à l’œuvre dans les micro-résonateurs. Nous montrons ensuite comment l'introduction de contraintes peut améliorer leur facteur de qualité. Nous finissons la caractérisation mécanique par l'étude de non-linéarités apparaissant lors des grandes amplitudes de mouvement. Puis nous présentons le montage expérimental permettant l'observation du bruit thermique de ces resonateurs. Celui-ci a également permis d'obtenir des résultats préliminaires sur le refroidissement de leur bruit thermique par friction froide et par effet photothermique. Enfin, nous présentons le développement d’un système de couplage capacitif entre la membrane et un circuit électrique, constituant la première étape de la réalisation d’un transducteur optomécanique entre photons optiques et micro-ondes. / The field of optomechanic consists in studying the coupling induce by the radiation pressure between a mechanical resonator and a light field, it has expended over the last fifteen years. In this memoir we present the developpement of a resonator optimised to observe quantum effect of the optomechanical coupling. On the one hand, it has to combine a high reflectivity and a low mass to enhance its coupling with the light field. On the other hand it should exhibit high mechanical quality factor in order to minimize its interaction with the environment. This resonator is a suspended membrane, whose thickness is about hundreds of nanometers, and whose reflectivity is achieved thanks to a photonic crystal. After a study of the photonic crystal physic in normal incidence, we present the experimental results including those in the end mirror of a Fabry-Pérot cavity configuration, which are in good agreement with the optical simulations. In a second point, we list the dissipation mechanisms in micro-resonator. Then we show how the stress introduction in such resonators can improve the quality factor. We finish the mechanical characterisation by studying mechanical non-linearities which appears in the case of large amplitude of motion. Then we present the experimental set-up developed to observe the thermal noise of the resonators. We also obtain some preliminary results about the cooling of the thermal noise using active cooling and photothermal effect. Last we present the development of a capacitive coupling between the membrane and a electrical circuit. This device is the first step toward the realisation of an optomechanical transducer between optical and micro-wave photons.

Cette thèse est constituée de deux parties indépendantes. Dans le premier chapitre, nous introduisons une méthode numérique permettant d'intégrer des équations aux dérivées partielles représentant la dynamique Hamiltonienne de théories des champs. Cette méthode est un intégrateur multi-symplectique qui préserve localement le tenseur énergie-impulsion sur de très longues périodes de temps et avec précision. Son principal avantage est d'être extrêmement simple tout en restant bien définie localement. Nous la mettons à l'épreuve sur le cas particulier du modèle phi^4 en 1+1 dimensions; nous expliquons également comment l'implémenter en dimensions supérieures. De plus, nous faisons une présentation géométrique de la structure multi-symplectique et nous introduisons une construction permettant de résoudre le problème de dégénérescence pouvant l'affecter.Le second chapitre traite d'aspects hors équilibre dans les systèmes statistiques: nous nous intéressons en particulier à la question de l'impact d'un taux de refroidissement fini lors d'une trempe à travers une transition de phase du second ordre. Pour décrire plus fidèlement le régime hors équilibre qui se produit avant la transition de phase, nous étendons le mécanisme dit de Kibble-Zurek. Nous décrivons comment la taille caractéristique des objets géométriques présents dans le système dépend du temps et du taux de refroidissement; ceci, avant et une fois le point critique atteint. Ces prédictions théoriques sont mises à l'épreuve sur l'exemple du modèle d'Ising ferromagnétique. Nous décrivons également les propriétés géométriques des domaines qui apparaissent dans le système au cours de la dynamique de refroidissement. / This thesis is made up of two independent parts. In the first chapter, we introduce a novel numerical method to integrate partial differential equations representing the Hamiltonian dynamics of field theories. It is a multi-symplectic integrator that locally conserves the stress-energy tensor with an excellent precision over very long periods. Its major advantage is that it is extremely simple (it is basically a centered box scheme) while remaining locally well defined. We put it to the test in the case of the non-linear wave equation (with quartic potential) in one spatial dimension, and we explain how to implement it in higher dimensions. A formal geometric presentation of the multi-symplectic structure is also given as well as a technical trick allowing to solve the degeneracy problem that potentially accompanies the multi-symplectic structure. In the second chapter, we address the issue of the influence of a finite cooling rate while performing a quench across a second order phase transition. We extend the Kibble-Zurek mechanism to describe in a more faithfully way the out-of-equilibrium regime of the dynamics before crossing the transition. We describe the time and cooling rate dependence of the typical growing size of the geometric objects, before and when reaching the critical point. These theoretical predictions are demonstrated through a numerical study of the emblematic kinetic ferromagnetic Ising model on the square lattice. A description of the geometric properties of the domains present in the system in the course of the annealing and when reaching the transition is also given.

Les alliages aluminium-silicium sont les alliages d’aluminium de moulage les plus couramment employés en raison de leur faible poids, de leurs caractéristiques mécaniques et de leur fluidité. Leurs propriétés mécaniques, en particulier leur résistance, peuvent être améliorées par l’affinage des grains et la modification des précipités de silicium. Par contre, la précipitation de composés intermétalliques riches en fer, comme la phase dite beta, a un effet néfaste sur la tenue en traction et la ductilité de ces alliages. Bien que diverses méthodes aient été proposées pour atténuer les effets de la phase beta, la compréhension des mécanismes de sa croissance pourrait s’avérer utile pour réduire ses effets néfastes. L’objectif de cette étude est d’établir la relation entre la vitesse de refroidissement et les caractéristiques microstructurales des alliages Al-Si hypoeutectiques. Dans une pièce coulée réelle, la vitesse de refroidissement locale peut grandement changer d’un point à l’autre du fait de la géométrie de la pièce mais aussi du fait des paramètres de coulée. Les variations de vitesse de refroidissement affectent le processus de solidification, et ceci est rendu évident par les changements des températures caractéristiques des courbes de refroidissement enregistrées en différents endroits d’une pièce. Les relations entre ces températures caractéristiques et la taille des grains et la modification du silicium eutectique sont présentées. Cette étude a aussi porté sur l’effet de la vitesse de refroidissement sur la morphologie de la phase beta dans le cas d’un alliage ternaire Al-Fe-Si. La croissance de la phase beta a été caractérisée par tomographie post-mortem et in-situ. Enfin, certains écarts par rapport aux caractéristiques de solidification usuelles, telles que la précipitation en écriture chinoise de la phase beta et la formation de rosettes, ont été observés et sont discutés. / Aluminum-silicon alloys are the most common aluminum casting alloys produced due to their fluidity characteristic and mechanical and light weight properties. However, there are several issues concerning application of Al-Si hypoeutectic alloys such as strength, which may be improved by refining grain size of the alloy and modifying silicon precipitates. Furthermore, precipitation of Fe-bearing intermetallics such as the so-called beta phase has a detrimental effect on tensile and ductility properties of Al-Si hypoeutectic alloys. Although various methods have been proposed to mitigate the effect of beta phase, the understanding of the mechanism of growth may be useful to reduce its detrimental effects. The objective of this study is to establish the relationship between the cooling rate and morphology features in Al-Si hypoeutectic alloys. In real casting condition, cooling rate is one of the factors that is not easy to predict, because it is related to the geometry of the parts and to the casting process itself. Changes in cooling rate affect the solidification process, and this is made apparent by the changes in the characteristic temperatures of cooling curves recorded in different locations of a part. The relation between these characteristic temperatures and grain size and eutectic silicon modification are presented. Furthermore, the present study also includes the effect of cooling rate on the morphology of beta phase in the case of a ternary Al-Fe-Si alloy. An attempt to characterize the growth of beta phase was performed through post-mortem and in-situ tomography. In addition, some variations from usual solidification features such as script monoclinic phase and rosettes were observed and are discussed.

Cette thèse porte sur la conversion thermoélectrique de nanofils semi-conducteurs désordonnés en configuration de transistor à effet de champ.On considère d’abord le régime de transport élastique à basse température. En utilisant un modèle d'Anderson 1D, on dérive des expressions analytiques pour le coefficient Seebeck typique d’un nanofil en fonction de la tension de grille, et on montre que celui-ci augmente fortement en bord de bande. Ces résultats sont confirmés par un calcul numérique du Seebeck, basé sur un algorithme de fonctions de Green récursif.On considère ensuite le régime inélastique où les électrons, assistés par les phonons, sautent entre états localisés. En résolvant numériquement le réseau de résistances aléatoires de Miller-Abrahams, on montre que le coefficient Seebeck peut atteindre des valeurs très élevées au voisinage des bords de bande du nanofil. La théorie de percolation de Zvyagin étendue au cas unidimensionnel nous permet de décrire qualitativement nos résultats. Par ailleurs, les échanges de chaleur entre électrons et phonons en bord de bande entraînent la formation de points chauds et froids à la surface du substrat, qui pourraient être utilisés pour le refroidissement de circuits électroniques. Cet effet est étudié pour un ensemble de fils en parallèle. Le facteur de puissance et la figure de mérite de ces systèmes sont aussi estimés.Enfin, on étudie un système général à trois terminaux en réponse linéaire. On calcule les coefficients de transport locaux et non-locaux, et les figures de mérite généralisées, puis l'on discute à l'aide de deux exemples la possibilité d’améliorer la performance d’une machine thermique quantique générique. / This thesis is focused on thermoelectric conversion in disordered semiconductor nanowires in the field effect transistor configuration. We first consider a low temperature regime, when electronic transport is elastic. For a 1D Anderson model, we derive analytical expressions describing the typical thermopower of a single nanowire as a function of the applied gate voltage, and we show that it is largely enhanced at the nanowire band edges. Our results are confirmed by numerical simulations based on a Recursive Green Function calculation of the thermopower. We then consider the case of inelastic transport, achieved by phonon-assisted hopping among localized states (Variable Range Hopping). By solving numerically the Miller Abrahams random resistor network, we show that the thermopower can attain huge values when the nanowire band edges are probed. A percolation theory by Zvyagin extended to nanowires allows to qualitatively describe our results. Also, the mechanism of heat exchange between electrons and phonons at the band edges lead to the generation of hot and cold spots near the boundaries of a substrate. This effect, of interest for cooling issues in microelectronics, is showed for a set of parallel nanowires, a scalable and hence promising system for practical applications. The power factor and figure of merit of the device are also estimated.Finally, we characterize a general three-terminal system within the linear response (Onsager) formalism: we derive local and non-local transport coefficients, as well as generalized figures of merit. The possibility of improving the performance of a generic quantum machine is discussed with the help of two simple examples.

Les pièges radio-fréquences (rf) permettent de confiner des particules chargées (atomes ou molécules) dans un domaine restreint de l'espace. Alliés aux techniques de refroidissement laser, ils permettent l'étude et le contrôle de la matière au niveau atomique. Dans cette thèse sont présentés différents résultats obtenus au moyen de simulations numériques, utilisant la technique de la dynamique moléculaire. Cette thèse se compose de quatre parties. Une première partie rassemble les connaissances indispensables pour appréhender la dynamique des ions en pièges rf. La deuxième partie présente les résultats d'une étude sur l'influence du couplage coulombien sur le refroidissement laser Doppler d'un ensemble d'ions confinés en quadrupôle linéaire. La troisième partie s'intéresse aux propriétés des structures en anneau d'ions, obtenues à basse température au sein des multipôles linéaires d'ordres supérieurs au quadrupôle. Une dernière partie présente une proposition permettant l'obtention de sites supplémentaires où le champ rf s'annule dans les multipôles linéaires d'ordres supérieurs, offrant la possibilité d'obtenir des structures non soumises au forçage rf. / Radio-frequency (rf) traps allows one to confine charged particles (atoms or molecules) in a small region of space. These traps, with laser cooling technics, allows one to study and to control matter at the atomic level.In this thesis are shown different results obtained by numerical simulations using molecular dynamics technics. This thesis is formed of four parts. A first part introduce the necessary knowledge to comprehend the ion dynamics in rf traps. The second part present the results from a study on the influence of coulomb coupling on the doppler cooling of trapped ions in a linear quadrupole rf trap. The third part is a study of the properties of ring structures of ions, obtained for low temperatures in linear higher order rf traps. A last part of the thesis is a proposal allowing one to obtain additional rf field-free regions in linear higher order rf traps.

Ma thèse s’est déroulée dans le cadre de la collaboration AEgIS, une des expériences étudiant l’antimatière au CERN. L’objectif final est de mesurer l’effet de la gravité sur un faisceau froid d’antihydrogène (Hbar). AEgIS se propose de créer les Hbar froids par échange de charges entre un atome de Positronium (Ps) excité (état de Rydberg) et un antiproton piégé : 〖Ps〗^*+ pbar → (H^*)⁻ + e⁻. L’étude de la physique du Ps est cruciale pour AEgIS, et demande des systèmes lasers adaptés. Pendant ma thèse, ma première tâche a été de veiller au bon fonctionnement des systèmes lasers de l’expérience. Afin d’exciter le positronium jusqu’à ses états de Rydberg (≃20) en présence d’un fort champ magnétique (1 T), deux lasers pulsés spectralement larges ont été spécialement conçu. Nous avons réalisé la première excitation par laser du Ps dans son niveau n=3, et prouvé une excitation efficace du nuage de Ps vers les niveaux de Rydberg n=16-17. Ces mesures, réalisées dans la chambre à vide de test d’AEgIS, à température ambiance et pour un faible champ magnétique environnant, sont la première étape vers la formation d’antihydrogène. Le prochain objectif est de répéter ces résultats dans l’enceinte du piège à 1 T, où les antihydrogènes seront formés. Pour autant, malgré l’excitation Rydberg des Ps pour accroître la section efficace de collision, la production d’antihydrogène restera faible, et la température des H bar formés sera trop élevée pour toute mesure de gravité. Pendant ma thèse, j’ai installé au CERN un autre système laser prévu pour pratiquer une spectroscopie précise des niveaux de Rydberg du Ps. Ce système excite des transitions optiques qui pourraient convenir à un refroidissement Doppler : la transition n=1 ↔ n=2. J’ai étudié la possibilité d’un tel refroidissement, en procédant à des simulations poussées pour déterminer les caractéristiques d’un système laser adapté La focalisation du nuage de Ps grâce au refroidissement des vitesses transverses devrait accroitre le recouvrement des positroniums avec les antiprotons piégés, et ainsi augmenter grandement la production d’Hbar. Le contrôle du refroidissement et de la compression du plasma d’antiprotons est aussi essentiel pour la formation des antihydrogènes. Pendant les temps de faisceaux d’antiprotons de 2014 et 2015, j’ai contribué à la caractérisation et l’optimisation des procédures pour attraper et manipuler les antiprotons, afin d’atteindre des plasmas très denses, et ce, de façon reproductible. Enfin, j’ai participé activement à l’élaboration d’autre projet à l’étude AEgIS, qui vise aussi à augmenter la production d’antihydrogène : le projet d’un refroidissement sympathique des antiprotons, en utilisant un plasma d’anions refroidis par laser. J’ai étudié la possibilité de refroidir l’ion moléculaire C₂⁻, et les résultats de simulations sont encourageants. Nous sommes actuellement en train de développer au CERN le système expérimental qui nous permettra de faire les premiers tests de refroidissement sur le C₂⁻. Si couronné de succès, ce projet ne sera pas seulement le premier résultat de refroidissement par laser d’anions, mais ouvrira aussi les portes à une production efficace d’antihydrogènes froids. / My Ph.D project took place within the AEgIS collaboration, one of the antimatter experiments at the CERN. The final goal of the experiment is to perform a gravity test on a cold antihydrogen (Hbar) beam. AEgIS proposes to create such a cold Hbar beam based on a charge exchange reaction between excited Rydberg Positronium (Ps) and cold trapped antiprotons: 〖Ps〗^* + pbar → (H^*)⁻ + e⁻. Studying the Ps physics is crucial for the experiment, and requires adapted lasers systems. During this Ph.D, my primary undertaking was the responsibility for the laser systems in AEgIS. To excite Ps atom up to its Rydberg states (≃20) in presence of a high magnetic field (1 T), two broadband pulsed lasers have been developed. We realized the first laser excitation of the Ps into the n=3 level, and demonstrated an efficient optical path to reach the Rydberg state n=16-17. These results, obtained in the vacuum test chamber and in absence of strong magnetic field, reach a milestone toward the formation of antihydrogen in AEgIS, and the immediate next step for us is to excite Ps atoms inside our 1 T trapping apparatus, where the formation of antihydrogen will take place. However, even once this next step will be successful, the production rate of antihydrogen atoms will nevertheless be very low, and their temperature much higher than could be wished. During my Ph.D, I have installed further excitation lasers, foreseen to perform fine spectroscopy on Ps atoms and that excite optical transitions suitable for a possible Doppler cooling. I have carried out theoretical studies and simulations to determine the proper characteristics required for a cooling laser system. The transverse laser cooling of the Ps beam will enhance the overlap between the trapped antiprotons plasma and the Ps beam during the charge-exchange process, and therefore drastically improve the production rate of antihydrogen. The control of the compression and cooling of the antiproton plasma is also crucial for the antihydrogen formation. During the beam-times of 2014 and 2015, I participated in the characterization and optimization our catching and manipulation procedures to reach highly compressed antiproton plasma, in repeatable conditions. Another project in AEgIS I took part aims to improve the formation rate of ultracold antihydrogen, by studying the possibility of a sympathetically cooling of the antiprotons using a laser-cooled anion plasma. I investigated some laser cooling schemes on the C₂⁻ molecular anions, and the simulations are promising. I actively contribute to the commissioning of the test apparatus at CERN to carry on the trials of laser cooling on the C₂⁻ species. If successful, this result will not only be the first cooling of anions by laser, but will open the way to a highly efficient production of ultracold antihydrogen atoms.

Les propriétés du milieu interstellaire (MIS) influencent fortement l’environnement et les processus menant à la formation d’étoiles qui, à son tour, dicte l’évolution d’une galaxie. Les galaxies naines du Groupe Local sont de parfaits laboratoires pour comprendre comment le contenu en métaux (ou métallicité) du MIS affecte l’interaction entre le gaz, la poussière et les étoiles. Mon travail de thèse porte sur les propriétés physiques des régions HII et du gaz diffus ionisé de la galaxie naine IC10, de métallicité 1/3 solaire. La proximité de cette galaxie (d=700kpc) permet l’analyse du MIS à différentes échelles spatiales: des nuages brillants compacts (25pc) au corps entier de la galaxie formant des étoiles (650pc). Afin de mesurer les propriétés physiques du MIS, j’ai modélisé les raies d’émission en infrarouge observées avec Spitzer et Herschel grâce à des modèles de photoionisation et de photodissociation. Je présente une exploration complète de plusieurs méthodes pour déterminer, de manière la plus fiable et selon les contraintes disponibles, les propriétés du MIS à diverses échelles. J’ai contraint les propriétés des nuages compacts les plus brillants dans IC10 et montré que l’émission à plus grande échelle (300pc) est dominée par celle de ces nuages. Enfin, je démontre le besoin d’un modèle à plusieurs composantes pour reproduire les observations dans leur ensemble. / The properties of the Interstellar Medium (ISM) strongly influence the environment and processes that lead to star-formation, which in turn, drives the evolution of a galaxy. Dwarf galaxies in the Local Group are perfect laboratories to investigate how the metal-poor ISM affects the interplay between gas, dust and stars. In this thesis, I investigate the properties of the HII regions and the diffuse ionized gas of the nearby dwarf galaxy IC10, which has a metallicity of 1/3 solar. Its proximity (d=700 kpc) enables the analysis on different spatial scales: from the compact clumps (~25 pc) to the whole star-forming body of the galaxy (~650pc). In order to measure the physical properties of the ISM, I model the infrared emission lines observed with Spitzer and Herschel with photoionization and photodissociation models. I present an extensive exploration of different methods to determine the most reliable ISM properties, based on the available constraints. I determined the properties of the brightest star-forming clumps within the galaxy and show that the emission at large scales (~300 pc) is dominated by that of the compact, bright clumps that lie within the region. I further demonstrate the need for a multi-component model to fully reproduce the observations.