Le travail présenté dans ce manuscrit trouve son origine dans l'ensemble des recherches menées au laboratoire ondes et acoustique sur la technique du retournement temporel dans le cadre de l'acoustique ultrasonore. C'est dans le but d'appliquer cette technique à la gamme des fréquences audibles que j'ai tout d'abord effectué un stage de DEA, puis ma thèse, sous la direction de Mathias Fink. Une des principales propriétés du retournement temporel est de permettre d'obtenir une focalisation de bonne qualité même lorsque le milieu est complexe, comme cela est le cas par exemple lorsque la propagation est perturbée par un grand nombre de réflexions. Pour cette raison, la première motivation de ces travaux était de concevoir un système capable d'émettre des messages sonores, de parole ou de musique, focalisés spatialement. Ce genre de système aurait par exemple permis d'envoyer des messages dans des langues différentes à différents endroits, serait capable de fonctionner dans des pièces réverbérantes, comme peuvent l'être la plupart des lieux de conférence ou de travail. Malheureusement, les caractéristiques physiques des signaux rencontrés dans le monde de l?audio, qu?il s?agisse de parole ou de musique, rendent délicate, voire impossible, l?utilisation d?un tel système, comme nous pourrons le voir au cours des deux premiers chapitres. Cette observation nous a inspiré deux réflexions : tout d?abord, quelles applications pratiques peut-on trouver à une technique de focalisation en acoustique audible ; ensuite, ces techniques principalement étudiées à des fins d?imagerie dans le domaine ultrasonore, et pas du tout dans le but de transmettre de l?information. Notre deuxième réflexion sera alors de tenter de mesurer la capacité d?une technique de focalisation à transmettre de l?information, y compris dans un milieu complexe du point de vue de la propagation.

Le Retournement Temporel est une technique multi-éléments permettant de focaliser une onde dans un milieu inconnu hétérogène en utilisant la propriété d'invariance par retournement temporel de l'équation des ondes. La formulation matricielle du Retournement Temporel a donné lieu à une technique de détection multi-cibles, la méthode DORT (pour Décomposition de l'Opérateur de Retournement Temporel). Cette thèse traite de l'application de la méthode DORT en acoustique sous-marine. Afin d'émettre les vecteurs propres issus de la méthode DORT, nous proposons une nouvelle méthode de reconstruction des vecteurs propres temporels baptisée SVP pour Synchronisation des Vecteurs Propres. Cette méthode est basée sur une repropagation numérique en espace libre des vecteurs propres monochromatiques nécessitant peu d'information sur le milieu. L'acquisition instantanée de la matrice de transfert K à l'aide de codes orthogonaux est aussi étudiée. Nous montrons que la méthode DORT permet d'extraire sans aucune connaissance préalable la signature fréquentielle d'une cible placée dans un guide d'onde et ce malgré les chemins multiples brouillant celle-ci. En effet, la première valeur singulière de la matrice K est proportionnelle à la réponse fréquentielle monostatique de la cible. De plus, nous montrons que les autres valeurs singulières donnent accès à des informations supplémentaires sur le diagramme de rayonnement. Par la suite, nous considérons un problème spécifique aux acquisitions DORT en mer. En effet, le milieu marin étant en constante fluctuation, le principe fondateur des méthodes de Retournement Temporel qui est la stationnarité est souvent mis en défaut. Nous montrons ainsi que la méthode DORT est utilisable en milieu non stationnaire, dans le cas où la cible est animée d'un mouvement vertical parallèle au réseau ou d'un guide d'onde présentant des vagues à sa surface. L'étude des vecteurs propres permet alors de remonter au déplacement de cette cible ou à l'état de surface au niveau de la cible et du réseau.

Le trafic de données a connu une explosion durant les dernières décennies, en raison d'une augmentation de la demande liée à la vidéo en ligne, mais aussi de la voix sur IP et le peer to peer. L'émergence du cloud computing et du cloud gaming ainsi que la haute résolution des contenus vidéo tend à accroître encore cette demande de débit. Ainsi les normes de communication évoluent afin de fournir les utilisateurs avec le meilleur débit possible. De ce fait, les systèmes nécessitent d'embarquer des techniques d'accès multiples afin de séparer les utilisateurs et l'augmentation du nombre d'antennes devient indispensable. Par conséquent, ces équipements deviennent de plus en plus complexes et énergivores. Dans le but de réduire la complexité des systèmes et ainsi diminuer leur consommation, en permettant de plus de fonctionner avec de faibles puissances d'émission, le Retournement Temporel apparaît comme une solution envisageable. En effet, cette technique permet de focaliser des ondes électromagnétiques dans le temps et l'espace. Ainsi, grâce à ce procédé il devient possible de réaliser des communications multi-antennes à faible complexité et à faibles interférences entre symboles grâce à la propriété de focalisation temporelle, et à faibles interférences intérutilisateurs grâce à la propriété de focalisation spatiale. Cependant, afin de l'adapter aux normes de communication actuelles, il est nécessaire d'étudier la combinaison duRetournement Temporel avec les systèmes multi-porteuses présents dans les principales normes de communication par paquets. Le but de cette thèse est donc d'étudier le Retournement Temporel appliqué aux modulations multi-porteuses, et plus particulièrement à l'OFDM. Dans un premier temps, la manière de réaliser une telle combinaison est étudiée dans un contexte SISO (Single Input Single Output). Ensuite, les avantages au niveau de la synchronisation et de la réduction de l'intervalle de garde d'une telle association sont décrits et analysés. Par la suite, une extension aux systèmes MISO (Multiple Input Single Output) est présentée, ainsi que la combinaison avec les codes espace temps en bloc orthogonaux. Les performances de ces systèmes en termes de capacité et de taux d'erreurs binaire sont ensuite évaluées analytiquement et comparées avec celles des systèmes concurrents. Un algorithme de modulation adaptative est ensuite ajouté au système afin d'en améliorer les performances. Ensuite, la manière de combiner le Retournement Temporel avec un système OQAM est présentée. Il est montré que cette combinaison permet de réaliser simplement des systèmes MISO-OQAM, et d'exploiter la diversité spatiale. Il est également montré ici que la combinaison avec les codes espace temps en bloc orthogonaux est réalisable. Enfin, la robustesse du système combinant le Retournement Temporel et l'OFDM face aux erreurs d'estimation est évaluée à l'aide de deux algorithmes d'estimation de canal.

Le contrôle de l’aimantation sans application de champ magnétique externe est un domaine de recherche en plein essor, étant prometteur pour les applications technologiques d’enregistrement magnétique et de spintronique. En 2007, Stanciu et al. ont découvert la possibilité de retourner l’aimantation dans un film fait d’alliage ferrimagnétique de GdFeCo en utilisant des impulsions laser femtoseconde. Longtemps cantonné aux alliages de GdFeCo, ce retournement tout-optique s’avère un phénomène plus général, puisqu’il a été mesuré plus récemment dans une large variété de matériaux ferrimagnétiques et ferromagnétiques. Cette découverte a ainsi ouvert la voie à l’intégration de l’écriture tout-optique dans l’industrie des mémoires magnétiques. Néanmoins, l’ensemble des modèles théoriques expliquant le retournement tout-optique dans le GdFeCo ne semblent pas s’appliquer aux autres matériaux magnétiques, mettant ainsi en question l’unicité de l’origine microscopique de ce phénomène. Au cours de cette thèse, nous avons étudié la réponse aux impulsions laser femtoseconde des alliages ferrimagnétiques et des multicouches ferromagnétiques, dans l'objectif d'élucider divers aspects du mécanisme du retournement optique. Nous avons élucidé expérimentalement les paramètres magnétiques gouvernant le retournement tout-optique. Nous avons montré que l’observation du retournement tout-optique nécessite des domaines magnétiques plus grands que la taille du faisceau laser pendant le processus de refroidissement, un critère qui est commun à la fois aux matériaux ferrimagnétiques et ferromagnétiques. En outre, nous nous sommes intéressés à l’intégration du retournement tout-optique dans des dispositifs de spintronique. Grâce à une caractérisation temporelle de l’aimantation dans des croix de Hall via l’effet Hall extraordinaire, nous avons distingué entre deux types de mécanismes du retournement optique. Le premier type est un retournement purement thermique obtenu avec une impulsion unique dans les alliages ferrimagnétiques de GdFeCo, tandis que le deuxième type est un retournement cumulative et à deux régimes dans les alliages ferrimagnétiques de TbCo et les multicouches ferromagnétiques de Co/Pt. Ce dernier consiste en une formation indépendante de l’hélicité de multidomaines magnétiques suivie d'une ré-aimantation dépendante de l'hélicité sur plusieurs dizaines de millisecondes. / The control of magnetization without external magnetic fields is an emergent field of research due to the prospect of impacting many technological applications such as magnetic recording and spintronics. In 2007, Stanciu et al. discovered an intriguing new possibility to switch magnetization in a ferrimagnetic GdFeCo alloy film using femtosecond laser pulses. This all-optical switching of magnetization had long been restricted to GdFeCo alloys, though it turned out to be a more general phenomenon for a variety of ferromagnetic and ferromagnetic materials. This discovery paved the way for an integration of the all-optical writing in storage industries. Nevertheless, the theoretical models explaining the switching in GdFeCo alloys films do not appear to apply in the other materials, thus questioning the uniqueness of the microscopic origin of all-optical switching. In this thesis, we have investigated the response of femtosecond laser pulses in ferrimagnetic alloys and ferromagnetic multilayers to the action of femtosecond laser pulses, in order to elucidate several aspects of the all-optical switching mechanism. We have experimentally studied the magnetic parameters governing the all-optical switching. We showed that the observation of all-optical switching requires magnetic domains larger than the laser spot size during the cooling process; such a criterion is common for both ferrimagnets and ferromagnets. Furthermore, we have investigated the integration of all-optical switching in spintronic devices via the anomalous Hall effect. Through a time-dependent electrical investigation of the magnetization in Hall crosses, we distinguished between two types of all-optical switching mechanisms. The first type is the single-pulse helicity-independent switching in ferrimagnetic GdFeCo alloy films as shown in previous studies, whereas the second is a two regimes helicity-dependent switching in both ferrimagnetic TbCo alloys and ferromagnetic Co/Pt multilayers. The latter consists in a step-like helicity-independent multiple-domain formation followed by a helicity-dependent remagnetization on several tens of milliseconds.

Un magnétomètre microSQUID basse température couplé à une antenne micro-onde a été utilisé pour sonder la dynamique du retournement assisté de l'aimantation d'une nanoparticule ferromagnétique. Grâce au développement d'une technique de mesure originale, basée notamment sur le contrôle de l'amplitude et de la phase du champ micro-onde, nous avons pu mettre en évidence les bassins d'attraction liés aux modes de précession présents dans la dynamique de l'aimantation. Il devient possible de contrôler le retournement de l'aimantation selon que l'amplitude et la phase du champ AC sont judicieusement choisis dans l'un ou l'autre des bassins d'attraction. Nous avons pu mettre en évidence un fait contre-intuitif où le retournement est bloqué par une phase "mal" choisie alors que l'amplitude est largement suffisante pour retourner le système avec une autre phase. De plus, nous avons pu utiliser la sensibilité des bassins d'attraction aux paramètres gouvernant la dynamique de l'aimantation pour déterminer expérimentalement une valeur de la constante d'amortissement de Gilbert α. C'est d'ailleurs la première mesure de la constante d'amortissement sur une nanoparticule unique. / A low temperature microSQUID magnetometer coupled to a microwave antenna was used to probe the assisted switching of the magnetization of a ferromagnetic nanoparticle. Using an original measurement protocol based on the control of the microwave amplitude and phase, we studied the basins of attraction of the precessional modes of the magnetization dynamics. The switching of the magnetization can thus be controlled by choosing an amplitude and phase in one particular basin. In particular, we evidenced the counter intuitive fact that the magnetization switching can be prevented by choosing a “wrong” phase, even though the amplitude is high enough to switch the system with another phase. Moreover, we used the basin's sensitivity to the parameters governing the magnetization dynamics to determine a value for the Gilbert's damping constant α. This is the first measurement of the damping constant on an individual nanoparticle.

Depuis une quinzaine d’années, de nombreuses solutions différentes ont été proposés afin de modifier l’aimantations de matériaux sans aucun champ magnétique extérieur appliqué. La manipulation d’aimantation à moindre coût énergétique, de préférence à des échelles de temps ultracourtes, est devenu un enjeu fondamental avec des implications pour les technologies d’enregistrement magnétique et de nouvelles sortes de stockage. Sur ce chemin, le type d’interaction découverte par Stanciu et al. ouvre la voie à l’utilisation de la lumière comme moyen d’exciter et de sonder directement les matériaux magnétiques. La description des théories et modèles existants dans ce domaine permet de nous rendre attentif sur les différents paramètres impliqués par l’interaction des lasers ultrarapides et matériaux magnétiques. L’entrelacement spécifique des impulsions de chaleur et de moment angulaire propre aux lasers ultrarapides est mise en avant afin de discuter de leur rôle dans les phénomènes observés. Le délai des interactions responsables de l’état final de l’aimantation est abordé et notamment la manière dont celle-ci ont un impact sur la façon dont le système se stabilise après une excitation laser. En outre, nous nous sommes intéressés à la relation entre les paramètres matériels et l’état final de l’aimantation obtenue avec un laser ultrarapide. Grâce aux nombreuses classes de matériaux magnétiques existantes les paramètres magnétiques peuvent être ajustés dans une grande gamme de valeurs et de manière entièrement contrôlés. Notre installation d’imagerie magnétique est alors capable de sonder les caractéristiques optiques et la stabilité des domaines après l’excitation. Nous avons finalement démontré que le retournement optique dépendent de l’hélicité peut être observée non seulement dans un grand nombre de couches minces d’alliages de terre rare-métaux de transition (RE-TM) mais aussi dans une variété beaucoup plus large de matériaux, y compris les multicouches et hétérostructures de RE-TM. Nous montrons en outre que les hétérostructures ferrimagnétiques dépourvues de terres rares présentent également un retournement optique. Nous avons en plus développé le contrôle optique de multicouches ferromagnétiques dont des films granulaires actuellement explorés pour l’enregistrement magnétique ultra-haute densité de demain. Notre découverte montre que la manipulation de l’aimantation dans des matériaux magnétiques est un phénomène beaucoup plus général que précédemment suspecté et peut avoir un impact majeur sur l’enregistrement magnétique et le stockage de l’information grâce à l’intégration nouvelle de ce type de contrôle optique dans des bits ferromagnétiques / The possibilities of modifying magnetization without applied magnetic fields have attracted growing attention over the past fifteen years. The low-power manipulation of magnetization, preferably at ultrashort timescales, has become a fundamental challenge with implications for future magnetic information memory and storage technologies. In particular the interplay of laser and magnetism recently discovered by Stanciu et al. opens up new way for light to be used as an excitation and a probe of magnetic materials. A description of the current models and frameworks developed in the field requires a careful look at the different parameters involved through the interaction of ultrafast lasers and magnetic materials. The specific and complex interplay between heat and angular momentum transfer is highlighted in order to discuss the role of each of them in the phenomena observed. The timescales of the different interactions responsible for the final state of magnetization are presented and will impact the way the system recovery after a laser excitation. Besides we were interested in exploring the relation between the material parameters such as anisotropy, ordering temperature and exchange coupling on the final state of magnetization obtained with a laser. Indeed thanks to the many different magnetism classes existing the magnetic parameters can be tuned widely and in a controlled manner. Our imaging setup then is able to probe the optical characteristics and domain stability after the laser excitation. We finally demonstrated that all-optical helicity-dependent switching (AO-HDS) can be observed not only in selected rare earth-transition metal (RE-TM) alloy films but also in a much broader variety of materials, including RE-TM alloys, multilayers and heterostructures. We further show that RE-free Co-Ir-based synthetic ferrimagnetic heterostructures designed to mimic the magnetic properties of RE-TM alloys also exhibit AO-HDS. We further developed the optical control of ferromagnetic materials ranging from magnetic thin films to multilayers and even granular films being explored for ultra-high-density magnetic recording. Our finding shows that optical control of magnetic materials is a much more general phenomenon than previously assumed and may have a major impact on data memory and storage industries through the integration of optical control of ferromagnetic bits

L'objectif de la thèse a été de mettre en place dans un premier temps des modèles analytiques et statistiques permettant d'évaluer les performances d'un système à retournement temporel de fortes-puissances puis de les vérifier grâce à des mesures.Des campagnes de mesures ont alors permis de vérifier les modèles. Des simulations numériques ont aussi montrées les possibilités offertes par un tel système.En parallèle, des travaux sur l'impact des antennes dans une chambre réverbérantes ont été menés afin d'évaluer les performances d'un système ayant plusieurs sorties.Les résultats de thèses ont permis l'élaboration de nouvelles métriques des performances du système.Le développement d'un prototype a nécessité la conception et la réalisation de chacune des branches du système complet.Les premières campagnes de mesures ont permis la validation complète des modèles. / A main aspect of this work has been to develop analytical and statistical models of the power efficiency of a time-reversal amplification system (TRAS).It is also important to evaluate the efficiency of a reverberation chamber. This allows quantifying the power received by one or more antenna when the reverberation chamber is excited. This factor is important when considering construction of the most efficient chamber for time-reversal amplification.Measurements assessing the loading effect of antennas in reverberation chambers when the field can be considered diffused were also undertaken. The study focuses on the evaluation of the varying quality factor when adding loaded antennas in the chamber.Another focus of this work is to evaluate the ratios between signals during calibration and focusing phase. An important aspect of the studies presented in this work thus concerns evaluation of the maximum value of the impulse response in a complex propagation system.We also present the power gain of time-reversal techniques and its statistical advantages compared to a classic use of a reverberation chamber.The development of a prototype required the design and implementation of each of the branches of the complete systems.The first measurement campaigns allowed the complete validation of the models.

Dans ce mémoire de thèse, nous présentons de nouvelles approches dans le domaine de la détection et de la localisation des défauts non-francs dans les réseaux filaires. Dans le domaine de la détection, l’idée est d’adapter le signal de test au réseau à tester, donc celui-là dépendra de la configuration du système sans devoir être prédéfini, comme c’est le cas des méthodes standard de réflectométrie. Nous prouvons que cette approche MP est plus bénéfique lorsque le système est plus complexe, c’est-à-dire lorsque sa réponse est plus riche en échos, ce qui est contraire aux méthodes existantes. L’étude de la MP est menée à travers une étude mathématique, et les résultats de simulation et d’expérimentation valident l’approche proposée. Dans le domaine de la localisation des défauts, et en se basant sur les propriétés de la DORT, nous développons une méthode distributive non-itérative capable de synthétiser des signaux de test se focalisant directement sur la position du défaut. Une étude statistique nous permet d’analyser quelques-uns des paramètres les plus influents sur la performance de la méthode, puis les résultats de simulation et expérimentaux montrent la capacité de la méthode à synthétiser des signaux se focalisant directement sur la position du défaut non-franc, sans avoir besoin d’algorithmes tératifs. / In this thesis we present new approaches in the domains of soft fault detection and location in complex wire networks, based on the properties of time reversal. When addressing the detection of soft faults, the idea is to adapt the testing signal to the network under test, instead of being predefined for all the tested networks, as opposed to standard reflectometry techniques. We prove that this approach, which we name the Matched Pulse approach (MP), is beneficial whenever the system is more complex, i.e., its response is richer in echoes, which is opposed to common understanding. The MP analysis is conducted via a formal mathematical analysis, followed by simulation and experimental results validating the proposed approach. In the domain of soft fault location, and based on the DORT (Décomposition de l’Opérateur de Retournement Temporel) properties, we derive a distributive non-iterative method able to synthesize signals that focus on the fault position. Through a statistical study we analyze some of the influencing parameters on the performance of the method, and then simulation and experimental results show that the method is able to synthesize signals directly focalizing on the soft fault position, without the need for iterations.

Cette thèse s'inscrit dans la continuité des travaux de l'Institut Langevin sur le contrôle spatio-temporel des ondes. Dans ce contexte, nous montrons en premier lieu que les milieux complexes offrent de plus grandes possibilités que l'espace libre. Nous quantifions ces apports en termes de degrés de liberté spatio-temporels qui peuvent être mis à profit grâce à l'utilisation de signaux large bande et de sources d'émission multiples. Nous étudions ensuite des milieux de propagation complexes qui présentent des hétérogénéités résonantes, et faisons le lien entre différents modèles (milieu effectif, polariton, hybridation) pour y décrire la propagation. Lorsque ces milieux sont organisés sur une échelle caractéristique inférieure à la longueur d'onde, nous montrons théoriquement qu'ils supportent des modes propagatifs qui oscillent sur des échelles spatiales inférieures à la longueur d'onde. Nous prouvons qu'il est possible d'exciter et de contrôler ces champs sub-longueur d'onde depuis le champ lointain en exploitant les degrés de liberté spatio-temporels à notre disposition. Des résultats expérimentaux et numériques de focalisation et d'imagerie en-dessous de la limite de la diffraction depuis le champ lointain sont présentés dans trois domaines de la physiques ondulatoire : les ondes micro-ondes, l'acoustique et l'optique. Enfin, nous nous intéressons à une gamme de fréquence, appelée bande interdite, pour laquelle il n'existe pas de solution propagative. En introduisant un défaut localement résonant, nous montrons la possibilité de créer des cavités résonantes ou des guides d'onde dont les dimensions sont bien inférieures à la longueur d'onde.

Nous présentons une méthode de retournement temporel avec conditions aux limites absorbantes (TRAC). Cette méthode permet de " recréer le passé " sans connaissance de la source qui a émis les signaux rétro-propagés. Nous proposons deux applications aux problèmes inverses : la réduction de la taille du domaine de calcul en redéfinissant une surface de référence virtuelle sur laquelle les récepteurs semblent positionnés, et la détermination de la localisation d'une inclusion inconnue à partir de mesures au bord. La méthode TRAC ne nécessite aucune connaissance a priori des propriétés physiques de l'inclusion. Des tests numériques effectués sur l'équation des ondes illustrent l'efficacité de cette méthode, qui se révèle être très robuste vis-à-vis du bruit sur les données. En particulier, nous appliquons la méthode TRAC à la discrimination entre une unique inclusion et deux inclusions proches.