Recently, remarkable advances have been made in the understanding of micro/nanoscale energy transport, opening new opportunities in various areas such as thermal management, data storage, and energy conversion. This dissertation focuses on thermally-sensed nanotopography using a heated silicon microcantilever and near-field thermophotovoltaic (TPV) energy conversion system. A heated microcantilever is a functionalized atomic force microscope (AFM) cantilever that has a small resistive heater integrated at the free end. Besides its capability of increasing the heater temperature over 1,000 K, the resistance of a heated cantilever is a very sensitive function of temperature, suggesting that the heated cantilever can be used as a highly sensitive thermal metrology tool. The first part of the dissertation discusses the thermal characterization of the heated microcantilever for its usage as a thermal sensor in various conditions. Particularly, the use of heated cantilevers for tapping-mode topography imaging will be presented, along with the recent experimental results on the thermal interaction between the cantilever and substrate. In the second part of the dissertation, the so-called near-field TPV device is introduced. This new type of energy conversion system utilizes the significant enhancement of radiative energy transport due to photon tunneling and surface polaritons. Investigation of surface and bulk polaritons in a multilayered structure reveals that radiative properties are significantly affected by polariton excitations. The dissertation then addresses the rigorous performance analysis of the near-field TPV system and a novel design of a near-field TPV device.

Gamma-ray binaries are systems that comprise a young, massive star and a compact object that can be either a young pulsar or a black hole. They emit radiation from radio up to tens of TeV and show flux variability along the whole electromagnetic spectrum. For three of the four detected gamma-ray binaries, the nature of the compact object is unknown. In this thesis we present a study of gamma-ray binaries through three approaches that involve the simultaneous study of these sources in X-rays and very high energy (VHE) gamma-rays. We present the discovery of correlated X-ray and VHE gamma-ray emission from LS I +61 303. The correlations indicates that the emission from these two bands could be originated in the same parent particle population, and we explore this idea through the calculation of a radiative model. This model allows us to significantly constrain the physical properties of the non-thermal emitter in LS I +61 303. For those systems where the compact object is a young pulsar, the interaction between the stellar and pulsar winds will give rise to strong shocks. The shocked pulsar wind is the candidate location for non-thermal emission from these systems. The shocked stellar wind should give rise to a thermal X-ray spectrum, but no such features have been detected in the X-ray spectrum of gamma-ray binaries. We present a model of the thermal emission of the shocked stellar wind and use it to constrain the pulsar properties. We have applied this method to two X-ray observations of LS 5039 and have successfully constrained the pulsar spin-down luminosity. Finally, we present a search for VHE emission from Scorpius X-1 through a simultaneous X-ray and VHE gamma-ray campaign. The X-ray observations allowed us to select black-hole states where non-thermal X-ray emission has been detected. We did not find significant VHE emission in any of the black hole states, but the upper limits derived will prove useful in future modelling of the non-thermal emitter in the source. / Les binàries de raigs gamma són sistemes binaries formats per una estrella jove i massiva i un objecte compacte, que pot ser un púlsar jove o un forat negre, que emeten radiació fins a desenes de TeV i mostren variabilitat orbital en totes les bandes d'emissió, des de radio fins a raigs gamma. En el cas de tres de les quatre binàries de raigs gamma detectades avui dia, se'n desconeix la natura de l'objecte compacte. En aquesta tesi presentem un estudi de les binàries de raigs gamma mitjançant tres treballs complementaris que involucren l'estudi simultani d'aquestes fonts en raigs X i raigs gamma de molt alta energia. En primer lloc presentem el descobriment d'emissió en raigs X i raigs gamma de molt alta energia correlades en el temps al sistema LS I +61 303. Aquesta correlació ens indica que l'emissió en les dues bandes pot provenir d'una única població d'electrons, i ho confirmem mitjançant la realització d'un model teòric de radiació que ens permet restringir significativament les propietats físiques de l'emissor no tèrmic de la font. En cas que la font energètica dels sistemes sigui un púlsar, la interacció entre els vents de l'estrella i el púlsar dona lloc a una regió d'interacció on el vent xocat del púlsar accelera partícules i emet des de radio fins a raigs gamma. A l'espectre de raigs X, però, no es detecta l'emissió tèrmica del vent xocat de l'estrella, que s'escalfa fins a desenes de milers de graus. Això ens ha permès estudiar la forma de la regió d'interacció, determinada principalment per la potència del púlsar, i fer un càlcul teòric de l'emissió en raigs X tèrmics. Hem aplicat aquest model al sistema LS 5039 i hem pogut determinar la potència del púlsar, fet important per a la modelització de l'emissió no tèrmica de la font. Finalment, presentem la cerca d'emissió de raigs gamma provinent de sistemes binaris fins ara no detectats. Una campanya simultània en raigs X i raigs gamma ens va permetre seleccionar les dades de molt alta energia del microquàsar Sco X-1 en funció de l'estat d'acreció sobre l'objecte compacte. Tot i no detectar la font en raigs gamma, els límits superiors obtinguts permeten restringir les propietats físiques de Sco X-1 rellevants per a l'emissió en molt alta energia.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la recherche sur la fusion nucléaire par confinement inertiel, et vise notamment à contribuer à la validation du schéma d'allumage rapide. Elle consiste en une étude expérimentale des différents processus impliqués dans la propagation d'un faisceau d'électrons relativistes, produit par une impulsion laser ultra-intense (10^{19} W.cm-2), au sein de la matière dense qu'elle soit solide ou comprimée. Dans ce travail de recherche nous présentons les résultats de trois expériences réalisées sur des installations laser distinctes afin de générer des faisceaux d'électrons dans diverses conditions et d'étudier leur propagation dans différents états de la matière, du solide froid au plasma dense et tiède.La première expérience a été réalisée à très haut contraste temporel sur l'installation laser UHI100 du CEA de Saclay. L'étude du dépôt d'énergie par le faisceau d'électrons dans l'aluminium solide a mis en évidence un important chauffage à faible profondeur, où les effets collectifs sont prédominants, générant ainsi un gradient important de température entre les faces avant (300eV) et arrière (20eV) sur 20µm d'épaisseur. Une modélisation numérique de l'expérience montre que ce gradient induit la formation d'une onde de choc débouchant en face arrière, donnant alors lieu à une augmentation de l'émission thermique. La chronométrie expérimentale du débouché du choc permet de valider le modèle de transport collectif des électrons.Deux autres expériences ont porté sur l'étude de la propagation de faisceaux d'électrons rapides au sein de cibles comprimées. Lors de la première expérience sur LULI2000 (LULI), la géométrie de compression plane a permis de dissocier de manière précise les pertes d'énergie liées aux effets résistifs de celles liées aux effets collisionnels. En comparant nos résultats expérimentaux à des simulations, nous avons mis en évidence l'augmentation significative des pertes d'énergie du faisceau d'électrons avec la compression et le chauffage de la cible à des température proches de la température de Fermi, et ce, pour les deux mécanismes. La seconde expérience, réalisée en géométrie cylindrique sur Vulcan (RAL), a permis de mettre en évidence un phénomène de guidage du faisceau d'électrons rapides sous l'effet d'un intense champ magnétique, auto-généré en présence d'importants gradients radiaux de résistivité. Par ailleurs, dans les conditions de température et de densité atteintes, l'augmentation des pertes d'énergie collisionnelles avec la densité s'avère être compensée par une diminution des pertes résistives du fait du passage de la conductivité du milieu dans le régime des hautes températures de Spitzer. / The framework of this PhD thesis is the validation of the fast ignition scheme for the nuclear fusion by inertial confinement. It consists in the experimental study of the various processes involved in fast electron beams propagation, produced by intense laser pulses (10^{19} W.cm-2), through dense matter either solid or compressed. In this work we present the results of three experiments carried out on different laser facilities in order to generate fast electron beams in various conditions and study their propagation in different states of matter, from the cold solid to the warm and dense plasma.The first experiment was performed with a high intensity contrast on the UHI100 laser facility (CEA Saclay). The study of fast electron energy deposition inside thin aluminium targets highlights a strong target heating at shallow depths, where the collectivs effects are predominant, thus producing a steep temperature profile between front (300eV) and rear (20eV) sides over 20µm thickness. A numerical simulation of the experiment shows that this temperature gradient induces the formation of a shock wave, breaking through the rear side of the target and thus leading to increase the thermal emission. The experimental chronometry of the shock breakthrough allowed validating the model of the collective transport of electrons.Two other experiments were dedicated to the study of fast electron beam propagation inside compressed targets. In the first experiment on the LULI2000 laser facility, the plane compression geometry allowed to precisely dissociate the energy losses due to resistive effects from those due to the collisional ones. By comparing our experimental results with simulations, we observed a significative increase of the fast electron beam energy losses with the compression and the target heating to temperatures close to the Fermi temperature. The second experiment, performed in a cylindrical geometry, demonstrated a fast electron beam guiding phenomenon due to self-generated magnetic fields in presence of sharp radial resistivity gradients. Furthermore, in the temperature and density conditions achieved here, the increase of collisional energy losses with density is compensated by the decreasing resistive energy losses due to the transition of the conductivity into the high-temperatures Spitzer regime.

Diplomová práce se zabývá možnosti kalibrace experimentálního testovacího zařízení. Zejména se věnuje návrhu termálního matematického modelu popisujícího tepelné procesy uvnitř zařízení v průběhu měření tepelné vodivosti vzorku. První část práce je věnována seznámení se s testovacím zařízením, jeho limity a principem měření. Popisuje řešení třetí verze testovací komory, společně s nezbytnými úpravami, provedenými za účelem zajištění předepsaných simulačních podmínek. Zmiňuje také potřebu a důvody kalibrace. Druhá část je především zaměřená na návrh kalibračních vzorků a termálního modelu. Uvádí definované požadavky a konečné vlastnosti vyrobených vzorků. Matematický model prezentuje postup výpočtu zjištěných tepelných ztrát a poukazuje na možnosti jejich zpřesnění. Testování kalibračních vzorků bylo provedeno na nově zprovozněné třetí verzi testovací komory. Naměřené výsledky poslouží k ladění termálního modelu, nezbytného k dokončení kalibračního procesu, který umožní přikročení k další fázi testování v experimentální komoře.