Le sujet principal de la thèse est le transport dans les systèmes mésoscopiques. Dans une première partie de lathèse, on étudie le cas d’un branchement adiabatique d’un biais de potentiel sur un système unidiensionnel sansrépartition initiale. On démontre que le courant complet est uniformément borné par rapport à la vitesse debranchement adiabatique, lorsque celle-ci tend vers zéro. On démontre l’existence de la partie linéaire de l’étatet du courant. La seconde partie de la thèse a donné lieu à a publication d’un article et elle consiste en l’étuded’un modèle discret, sans répartition initiale. On démontre que, dans ce système et après une perturbationélectrochimique, il existe un état stationnaire hors équilibre, et on retrouve la formule de Landauer-Büttikerpour ce modèle. La dernière partie de la thèse, qui a également donné lieu à un article, porte sur l’étude del’approximation des guides d’onde quantiques par des graphes quantiques. On s’intéresse à un guide d’ondelocalement torsadé. On étudie moins le Laplacien sur ce guide d’onde torsadé. Lorsque e diamètre du guidetend vers zéro et, simultanément, lorqsue le support de la courbure tend vers zéro, on démontre que le graphelimite est la ligne droite, et que l’opérateur limite est moins le Laplacien sur L2 (R) plus une condition deDirichlet à l’origine. Cette condition de Dirichlet est la conséquence des rétrécissements faits. En Annexe, ondonne des démonstrations et explications plus détaillées et utiles pour la compréhension de points clés de lathèse. / The main topic of the thesis is the transport in mesoscopic systems. In the first part of the work, we study thecase of a connection through an adiabatic potential on a one dimensional system without initial distribution, wesaid a “partition-free approach”. It is shown that the full current is uniformly bounded with respect to theadiabatic speed of connection, when it goes to zero. We prove the existence of the linear part of the state andcurrent. The second part of the thesis has led to publication of an article and deals with the study of a discretemodel without initial distribution. We prove that in this system and after an electrochemical disturbance thereexists a nonequilibrium steady state, and the Landauer-Büttiker formula is demonstrated for this model.The last part of the thesis, which also has led to an article, concerns the study of the approximation of quantumwaveguides by quantum graphs. We are interested in a waveguide locally twisted. We studyminus theLaplacian on this locally twisted waveguide. When the diameter of the guide goes to zero and simultaneouslywhen the support of the twisting goes to zero, we prove that the limit graph is the straight line, and the limitoperator is minus the Laplacian on the straight line plus a Dirichlet condition at the origin. The Dirichletcondition is the consequence of the shrinking done. In the appendix, we

Une description précise de la structure mésoscopique des réseaux complexes permet de modéliser efficacement les processus de propagation sur réseaux ainsi que la croissance de ces derniers. Cette structure s’exprime en termes d’une décomposition en communautés (ou groupes denses de noeuds structurellement rapprochés), de sorte que l’identification d’une organisation optimale constitue un problème de décision de classe NP-difficile. Plusieurs algorithmes récents permettent d’obtenir des solutions approchées dans un temps polynomial. Toutefois, la nature ad hoc de ces algorithmes rend difficile l’évaluation de leurs qualités et de leurs faiblesses. Cet ouvrage fait état d’un formalisme analytique unifiant la théorie de la détection communautaire via une description matricielle. Dans un premier temps, on démontre qu’une grande classe d’algorithmes de détection est équivalente à un problème d’optimisation dont la solution approximative peut être obtenue par la décomposition spectrale de matrices de coût, fonction de la structure du réseau à l’étude. Ces développements établissent un cadre théorique permettant l’étude rigoureuse d’algorithmes ad hoc, et mènent également à un algorithme de détection original, basé sur des principes fondamentaux d’optimisation continue. Dans un deuxième temps, il est démontré par le biais de la théorie des matrices aléatoires que, pour une classe particulière de réseaux, la structure communautaire (ici a priori connue) laisse une empreinte aisément identifiable dans le spectre des matrices de coût associées. Ces deux points de vue complémentaires, optimisation spectrale et théorie des matrices aléatoires, donnent accès à de nouvelles observations importantes qu’une simple étude numérique ne peut expliquer, tel l’apparition d’une limite de détection intrinsèque. Ces développements analytiques restent toutefois confinés à des modèles de réseaux simples. Pour des problèmes plus complexes, une approche numérique est préconisée. On introduit donc une méthode heuristique de détection permettant d’améliorer les performances de tout algorithme imparfait. Dans la perspective de calibrer cette méthode, on présente également un processus de croissance local polyvalent qui produit des réseaux réalistes possédant une structure communautaire connue. / A precise description of the mesoscopic structure of complex systems is necessary to improve models of the dynamical processes on and of networks. However, knowledge of this structure comes at great cost, since finding a optimal decomposition in communities is a problem that belongs to the NP hard complexity class. Multiple recent algorithms yield approximate solutions in polynomial time. Most of these algorithms are collections of ad hoc methods, such that only extensive numerical studies lead to insightful comparisons. In this thesis, we present the basis of a unified theory of community detection, which builds upon recent advances of the spectral theory of complex networks. First, we prove that a large class of detection algorithm is equivalent to an optimization problem that can be solved approximately though the spectral decomposition of a very general cost matrix. Within this framework, otherwise ad hoc algorithms can be studied analytically and rigorously. This point of view also leads to a new, original and first-principled spectral detection algorithm. Second, using random matrix theory, we generalize existing results and prove that the spectrum of a class of modular networks contains valuable information on their mesoscopic structure. These complementary approaches, spectral optimization and random matrix theory, give powerful insights into the spectral theory of complex networks, and their relevance to community structure. These analytical results are unfortunately not yet generalizable to arbitrary networks. For complex cases, we prefer a purely numerical approach. Hence, we introduce a heuristic method that drastically improves the efficiency of existing, imperfect algorithms. To test this method, we also present a local growth process that produces realistic modular networks with known community structure. These networks can then be used as versatile benchmarks.

Le sujet principal de la thèse est le transport dans les systèmes mésoscopiques. Dans une première partie de lathèse, on étudie le cas d'un branchement adiabatique d'un biais de potentiel sur un système unidiensionnel sansrépartition initiale. On démontre que le courant complet est uniformément borné par rapport à la vitesse debranchement adiabatique, lorsque celle-ci tend vers zéro. On démontre l'existence de la partie linéaire de l'étatet du courant. La seconde partie de la thèse a donné lieu à a publication d'un article et elle consiste en l'étuded'un modèle discret, sans répartition initiale. On démontre que, dans ce système et après une perturbationélectrochimique, il existe un état stationnaire hors équilibre, et on retrouve la formule de Landauer-Büttikerpour ce modèle. La dernière partie de la thèse, qui a également donné lieu à un article, porte sur l'étude del'approximation des guides d'onde quantiques par des graphes quantiques. On s'intéresse à un guide d'ondelocalement torsadé. On étudie moins le Laplacien sur ce guide d'onde torsadé. Lorsque e diamètre du guidetend vers zéro et, simultanément, lorqsue le support de la courbure tend vers zéro, on démontre que le graphelimite est la ligne droite, et que l'opérateur limite est moins le Laplacien sur L2 (R) plus une condition deDirichlet à l'origine. Cette condition de Dirichlet est la conséquence des rétrécissements faits. En Annexe, ondonne des démonstrations et explications plus détaillées et utiles pour la compréhension de points clés de lathèse.

Le béton est le matériau de construction le plus utilisé au monde. C’est un matériau composite hétérogène constitué par un squelette granulaire, enrobé dans une pâte de ciment hydraté. Cette pâte présente une microstructure différente à proximité des granulats délimitant ainsi une zone appelée « Auréole de transition ». Malgré les nombreux efforts fournis par la communauté scientifique internationale pour explorer ce matériau complexe, il reste toujours des zones d’ombres pour maîtriser les propriétés intrinsèques des trois phases qui le composent mais aussi l’influence de chacune d’elles sur le comportement global du matériau. L’objectif de cette thèse est, d’abord, d’étudier l’effet de la zone de transition et de la nature des granulats sur le comportement global du béton et, enfin, de caractériser la matrice cimentaire. Le point de départ est l’utilisation du MEB (Microscope Electronique à Balayage) pour analyser la zone de transition, ce qui a permis de voir que cette zone est fortement influencée par la nature des granulats et que la qualité de l’adhérence matrice/granulats n’est pas toujours parfaite. Un béton numérique 3D est ensuite développé dans le code de calcul aux Eléments Finis Abaqus pour quantifier l’effet de la zone de transition et de l’interface matrice/granulats sur les propriétés mécaniques du béton. Les résultats des simulations ne montrent pas d’influence de la zone de transition autour des granulats sur le comportement global en compression du béton. En revanche, une influence significative de la nature du contact matrice/granulats est démontrée lorsqu’un glissement entre la matrice et les granulats est pris en compte. Dans le but de trouver les propriétés de la matrice cimentaire qui enrobe les granulats, l’essai de micro-indentation est couplé avec une simulation numérique. La corrélation finalement obtenue entre le modèle numérique et l’expérience a permis de conclure sur la faisabilité de la méthodologie adoptée. En dernier lieu, l’essai de micro-indentation est appliqué sur des échantillons de béton afin d’étudier l’effet de l’incendie sur les propriétés de la matrice cimentaire. / Concrete is a construction material the most widely used. This is a heterogeneous composite material consisting of a granular skeleton embedded in a hydrated cement paste. This paste has a different microstructure near aggregates thus defining an area called «Interfacial Transition Zone». Despite the many efforts by the international scientific community to explore this complex material, there are still shadow areas to control the intrinsic properties of the three phases that compose but also the influence of each on the overall behavior of material. The objective of this thesis is, first, to study the effect of the transition zone and the nature of the aggregates on the overall behavior of concrete, and finally to characterize the cement matrix. The starting point is the use of SEM (Scanning Electron Microscope) to analyze the transition zone, which enabled us to see that this area is strongly influenced by the nature of the aggregates and the quality of adhesion matrix / aggregates is not always perfect. A 3D numerical concrete is then developed in the computation code Finite Element Abaqus to quantify the effect of the transition zone of the matrix and / aggregate interface on the mechanical properties of the concrete. The simulation results showed no influence of the transition region around the aggregates on the overall behavior of the concrete in compression. However, a significant influence on the nature of the contact matrix / aggregates is demonstrated when a sliding between the matrix and the aggregate is taken into account. In order to find the properties of the cementitious matrix which coats the aggregate, the micro-indentation test is coupled to a numerical simulation. Finally obtained the correlation between the numerical model and the experiment was concluded on the feasibility of the methodology adopted. Finally, the micro-indentation test is applied on concrete samples in order to study the effect of the fire on the properties of the cementitious matrix.

Cette thèse présente une étude expérimentale des modifications des propriétés de diffusion résonante de la lumière par des nuages mésoscopiques de rubidium 87 froids dont la densité peut être variée. pour des densités de l’ordre de 1014 atomes/cm3, les distances entre certains atomes deviennent bien plus petites que la longueur d’onde du rayonnement à résonance avec la transition d2 (780 nm) du rubidium 87. l’ampleur des interactions dipôle-dipôle entre ces diffuseurs empêche alors de les considérer comme étant indépendants les uns des autres: on parle de diffusion collective. les méthodes employées pour produire les échantillons étudiés s’appuient sur des techniques de refroidissement (ralentisseur zeeman et piège magnéto-optique) et de piégeage (pinces optiques) d’atomes neutres permettant d’obtenir des ensembles d’atomes froids (environ 100 µK) allant d’exactement un à plusieurs centaines d’entre eux. les observations réalisées portent sur la lumière diffusée par ces atomes, collectée grâce à un système optique de grande ouverture numérique. l’étude consiste dans un premier temps en la caractérisation la diffusion résonante de lumière par un unique atome. elle aboutit notamment à la mesure du retard dans la diffusion par un atome d’un paquet d’ondes lumineuses, appelé délai de wigner, dans des conditions proches d’une expérience de pensée. dans un second temps, cette étude porte sur les propriétés de diffusion collective de lumière par des ensembles denses d’atomes. elle rapporte en particuliers une mesure de la suppression de l’excitation des nano-nuages en fonction de leur densité. / This thesis reports an experimental study of the modifications of the near-resonant light scattering properties of mesoscopic cold clouds of rubidium 87 which densities are tunable. for densities of the order of 1014 atoms/cm3, inter-atomic distances can be smaller than the wavelength of the radiation at resonance with the d2 line (780 nm) of rubidium 87. the magnitude of the dipole-dipole interactions between the scatters is such that they can no longer be considered as independent of each other: a phenomenon called collective scattering. the methods used to produce the studied samples are based on cooling (zeeman slower and magneto-optical trap) and trapping (optical tweezers) techniques for neutral atoms. they allow obtaining cold (100 µK) atomic ensembles containing from exactly one to several hundreds of atoms. the observations performed are based on the light scattered by these atoms which is collected thanks to a high numerical aperture optical system. in a first step, this study consists in characterizing the near-resonant light scattering by a single atom. it leads to the measurement of the delay in the scattering by an atom of a wave packet of light, called wigner delay, in conditions close to those of a gedanken experiment. in a second step, this study deals with the collective scattering of light by dense atomic ensembles. it especially reports a measurement of the suppression of the excitation of the nano-clouds versus their densities.

Lorsque l’on place des atomes suffisamment proches les uns des autres, l’interaction dipôle-dipôle résonante entre les atomes modifie leurs propriétés. Les atomes se comportent alors de manière collective. Ces effets collectifs se produisent lorsque les distances interparticulaires sont de l’ordre de l/(2Pi), où l est la longueur d’onde de la transition atomique. La densité atomique est alors de l’ordre de 10^14 at/cm^3. Afin de créer des échantillons d’atomes froids présentant des densités aussi élevées, nous avons mis en place plusieurs méthodes de chargement de nos pinces optiques de taille micrométrique. L’une d’elles utilise un processus d’évaporation forcée qui amène les atomes proches de la dégénérescence quantique. En utilisant des nuages denses contenant quelques centaines d’atomes à des densités spatiales élevées, et en étudiant les modifications de la diffusion de la lumière qui en résultent, nous avons pu mettre en évidence des effets collectifs entre les atomes. Nous avons par ailleurs mesuré le retard de Wigner associé à la diffusion élastique de la lumière par un atome unique de rubidium. Nous avons mesuré un retard proche de la valeur théorique, c’est-à-dire deux fois la durée de vie de la transition atomique (52 ns). / When several atoms are placed close to each other, the resonant dipole-dipole interactionbetween atoms modifies the atomic properties and atoms behave collectively. These collective effects occur for interatomic distances on the order of l/(2Pi) where l is the wavelength of the atomic transition. The atomic density is then on the order of 10^14 at/cm^3. To create such cold atomic samples, we load optical tweezers with a microscopic size according to several loading schemes. One of them uses forced evaporative cooling and brings the atoms close to quantum degeneracy. We have used dense clouds containing a few hundred atoms with a high spatial density to demonstrate collective effects between the atoms. In particular, we have studied how these effects modify the scattering of light by the cloud. Besides, we have also measured for the first time the time-delay associated to the elastic scattering of light by a single rubidium atom, the so-called Wigner delay. We have shown that this delay is close to the theoretical prediction of twice the lifetime of the atomic transition (52 ns).

Lorsque l'on place des atomes suffisamment proches les uns des autres, l'interaction dipôle-dipôle résonante entre les atomes modifie leurs propriétés. Les atomes se comportent alors de manière collective. Ces effets collectifs se produisent lorsque les distances interparticulaires sont de l'ordre de l/(2Pi), où l est la longueur d'onde de la transition atomique. La densité atomique est alors de l'ordre de 10^14 at/cm^3. Afin de créer des échantillons d'atomes froids présentant des densités aussi élevées, nous avons mis en place plusieurs méthodes de chargement de nos pinces optiques de taille micrométrique. L'une d'elles utilise un processus d'évaporation forcée qui amène les atomes proches de la dégénérescence quantique. En utilisant des nuages denses contenant quelques centaines d'atomes à des densités spatiales élevées, et en étudiant les modifications de la diffusion de la lumière qui en résultent, nous avons pu mettre en évidence des effets collectifs entre les atomes. Nous avons par ailleurs mesuré le retard de Wigner associé à la diffusion élastique de la lumière par un atome unique de rubidium. Nous avons mesuré un retard proche de la valeur théorique, c'est-à-dire deux fois la durée de vie de la transition atomique (52 ns).

Spintronique moléculaire : de la vanne de spin à la détection d'un spin unique. Parmi les thématiques qui ont émergé ces dix dernières années, la spintronique moléculaire est intéressante de par son caractère hybride, à la croisée entre l'électronique de spin, l'électronique moléculaire et le magnétisme moléculaire. Dans ce nouveau domaine, on cherche à exploiter les propriétés magnétiques et quantiques des aimants moléculaires pour créer des dispositifs originaux, utiles en spintronique ou en information quantique. Mon projet de thèse s'inscrit dans cette perspective en voulant combiner un transistor à nanotube de carbone avec des aimants à molécule unique, en les couplant par des interactions supramoléculaires. L'objectif est d'observer le renversement magnétique d'une seule molécule par des mesures de transport électronique à travers le nanotube. En effet, le diamètre de ce dernier étant comparable aux dimensions d'un aimant moléculaire, le couplage devrait être suffisamment fort pour en permettre la détection. La réalisation d'un tel dispositif, un défi technique, et la question de savoir s'il était réellement possible de détecter et de caractériser le moment d'une seule molécule ont constitué les deux enjeux majeurs de cette thèse. Une grande partie du travail réalisé porte sur la fabrication du dispositif expérimental par des techniques de micro- et nano-fabrication, ainsi que sur l'optimisation du greffage des aimants moléculaires sur la surface du nanotube. Dans un second temps, nous nous intéressons à l'étude du système et à son comportement à très basse température (100 mK). En effet, la proximité des aimants moléculaires TbPc2 modifie de façon spectaculaire les propriétés de transport d'un nanotube. En particulier, nous présentons la réalisation d'un dispositif dont la réponse est analogue à une vanne de spin classique, où les molécules magnétiques jouent le rôle de polariseur ou d'analyseur de spin. Grâce à ce système, nous avons réussi à affiner nos connaissances sur TbPc2. Entre autres résultats, nous sommes parvenus à isoler et à caractériser le retournement du moment magnétique d'un seul ion de terbium. Enfin, la dernière partie de cette thèse est consacrée à l'étude de l'interaction hyperfine au sein du terbium. En réalisant un dispositif qui n'est couplé qu'à deux molécules, nous avons mis en évidence qu'il est possible de réaliser une lecture directe de l'état d'un spin nucléaire unique.

Mesoscopic Modeling of Chemical Surface Reactions<p><p>Reactions such as those encountered in heterogeneous catalysis form a specific class of non-equilibrium, nonlinear systems: they take place on low-dimensional supports, the surfaces, exhibiting a particularly restricted geometry. Because of this geometrical restriction, fluctuation-induced nanometric self-organization can spontaneously arise and can lead to a compartmentalization of the reactants and the products. We use mesoscopic stochastic simulations and theoretical approaches to model the dynamics at these scales and to understand the connection between the microscopic details of the processes and the macroscopic rate laws for concentrations. In particular, we study the propagation of waves, the emergence of coherent oscillatory and explosive behaviors and apply these techniques for the modeling of experimental systems such as the H2+O2/Rh reaction with co-adsorbed potassium or the NO+H2 reaction on platinum.<p> / Doctorat en sciences, Spécialisation chimie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse décrit deux expériences mettant en lumière l'existence d'un degré de liberté fermionique dans l'effet Josephson: le doublet d'Andreev. Elles sont toutes les deux réalisées sur l'élément Josephson le plus élémentaire qui soit, un contact atomique entre deux électrodes supraconductrices. Dans la première, nous avons observé la disparition du supercourant, qui traduit le piégeage spontané d'une quasiparticule dans l'un des deux états liés d'Andreev. Dans la seconde, nous avons réalisé la spectroscopie photonique de ce système à deux niveaux, en utilisant une jonction Josephson à la fois en tant qu'émetteur et détecteur microonde. On peut bien rendre compte des spectres observés avec un modèle spin-boson incluant le doublet d'Andreev et un mode électromagnétique de l'environnement.