La première partie concerne les interactions acoustique-vorticité dans les écoulements cisaillés linéaires incompressibles, qui peuvent être décomposés en la somme d’une partie hyperbolique et d’une partie rotation solide. L’écoulement de Couette en est un exemple. En utilisant la démarche non-modale , les équations d’évolution de perturbations compressibles se réduisent à une EDO de dimension trois en temps, qui dépend d’un paramètre adimensionné ε représentant le rapport entre le taux de cisaillement de l’écoulement et la fréquence des perturbations. Pour ε faible, la méthode WKB permet d’exhiber naturellement trois modes (deux modes acoustiques et un mode de vorticité) et permet de mettre en évidence des couplages entre ces modes. Ces couplages sont exponentiellement faible en 1/ε, et ne peuvent être pris en compte par une méthode asymptotique. Ils semblent être liés à la partie hyperbolique de l’écoulement. La seconde partie traite de la réflexion d'une onde par une surface de géométrie complexe. Une transformation conforme permet de transformer une frontière complexe en une frontière plane, mais fait apparaître des coefficients non constants dans les équations en volume. Celles-ci sont résolues au moyen de la méthode de la matrice d’impédance multimodale qui ramène le problème à une équation de Riccati pour la matrice d’impédance. Une méthode pour trouver des géométries admettant des modes piégés est proposée. Puis la méthode de résolution est appliquée à la modélisation de la couche limite visqueuse d’un fluide oscillant au contact d’une surface complexe périodique. Une solution perturbative est proposée. La présence de zones de recirculation est étudiée. / The first part is a study of the interactions between acoustic and vorticity perturbations in linear incompressible shear flows, which can decomposed as a sum of a hyperbolic part and of a rigid rotation part. The plane Couette flow is an example of such flows. By using the non-modal approach, the equations governing the evolution of compressible perturbations reduce to an ODE of dimension three in time, which depends on a dimensionless parameter ε representing the ratio between the shear rate of the flow and the frequency of the perturbations. For small ε values, the WKB method allows us to exhibit naturally three modes (two acoustic modes and one vorticity mode) and to highlight couplings between these modes. These couplings are exponentially small in 1/ε, and cannot be taken into account by an asymptotic method. They seem to be linked to the hyperbolic part of the flow.The second part deals with the reflection of a wave by a geometrically complex surface. A conformal mapping allows us to transform a complex boundary into a plane boundary, but makes appear varying coefficients in the bulk equations. These equations are then solved with the multimodal impedance matrix method, which reduce the problem to a Riccati equation for the impedance matrix. A method to find geometries allowing for the existence of trapped modes is proposed. Then the solving method is applied to the modeling of the viscous boundary layer of a fluid oscillating near a periodical rough surface. A perturbative solution is proposed. The presence of recirculation areas is studied.

The photoactive component of a polymeric organic solar cell can be produced by drying a mixture consisting of a volatile solvent and non-volatile polymers. As the solvent evaporates, the polymers demix and self-assemble into microscale structures, the morphology of which plays a pivotal role in determining the efficiency of the resulting device. Thus, a detailed understanding of the physical mechanisms that drive and influence structure formation in evaporating solvent-polymer mixtures is of high scientific and industrial value. This thesis explores several problems that aim to produce novel insights into the dynamics of evaporating solvent-polymer mixtures. First, the role of compositional Marangoni instabilities in slowly evaporating binary mixtures is studied using the framework of linear stability theory. The analysis is non-trivial because evaporative mass loss naturally leads to a time-dependent base state. In the limit of slow evaporation compared to diffusion, a separation of time scales emerges in the linear stability problem, allowing asymptotic methods to be applied. In particular, an asymptotic solution to linear stability problems that have slowly evolving base states is derived. Using this solution, regions of parameter space where an oscillatory instability occurs are identified and used to formulate appropriate conditions for observing this phenomenon in future experiments. The second topic of this thesis is the use of multiphase fluid models to study the dynamics of evaporating solvent-polymer mixtures. A two-phase model is used to assess the role of compositional buoyancy and to examine the formation of a polymer-rich skin at the free surface. Then, a three-phase model is used to conduct a preliminary investigation of the link between evaporation and phase separation. Finally, this thesis explores the dynamics of a binary mixture that is confined between two horizontal walls using a diffusive phase-field model and its sharp-interface and thin-film approximations. We first determine the conditions under which a homogeneous mixture undergoes phase separation to form a metastable bilayer. We then present a novel mechanism for generating a repeating lateral sequence of alternating A-rich and B-rich domains from this bilayer.

This dissertation is a theoretical treatment of the electric field dependence of optical properties such as Quantum Confined Stark (QCS) shifts, Photoluminescence Quenching (PLQ), and Excitonic Mixing in quantum well heterostructures. The reduced spatial dimensionality in heterostructures greatly enhances these optical properties, more than in three dimensional semiconductors. Charge presence in the quantum well from doping causes the potential to bend and deviate from the ideal square well potential. A potential bending that varies as the square of distance measured from the heterostructure interfaces is derived self-consistently. This potential is used to solve the time-independent Schrodinger equation for bound state energies and wave functions within the framework of the Wentzel, Kramers, and Brillouin (WKB) approximation. The theoretical results obtained from the WKB approximation are limited to wide gap semiconductors with large split off bands such as gallium arsenide-gallium aluminum arsenide and indium gallium arsenide—indium phosphide. Quantum wells with finite confinement heights give rise to an energy dependent WKB phase. External electric and magnetic fields are incorporated into the theory for two different geometries. For electric fields applied perpendicular to the heterostructure multilayers, QCS shifts and PLQ are found to be in excellent agreement with the WKB calculations. Orthogonality between electrons and holes gives rise to interband mixing in the presence of an external electric field. On the contrary, intraband mixing between light and heavy holes is not sufficiently accounted for in the WKB approximation.

L'interaction entre des ondes d'inertie-gravité et un vortex en milieu stratifié tournant est étudiée expérimentalement, et numériquement au moyen de simulations basées sur la théorie WKB, ou théorie des rais. Cette étude est réalisée dans le cadre d'applications aux écoulements géophysiques. On considère l'interaction d'ondes planes avec un vortex cyclonique: des vortex forcés, plutôt baroclines, sont créés par la rotation d'un disque tournant; des vortex libres allongés, plutôt barotropes, sont créés par aspiration. Contrairement aux écoulements uni-directionnels, dans des écoulements axisymmétriques, les simulations WKB et les expériences confirment l'existence de 'couches' critiques, d'épaisseur finie, où certaines ondes sont piégées. Les simulations WKB reproduisent bien les expériences et sont mises à contribution pour expliquer le déclenchement du déferlement: on introduit un nombre de Reynolds d'interaction, Rewave, qui mesure la valeur relative du taux de décroissance de la longueur d'onde lors du piégeage par rapport au taux d'amortissement visqueux. Pour les vortex baroclines, les couches critiques sont inclinées et les ondes piégées ne déclenchent pas de déferlement, du fait de valeurs trop faibles du nombre de Reynolds. Pour les vortex barotropes, les couches critiques sont quasi-verticales, et la majeure partie des ondes se propageant face à l'écoulement y sontt piégées, provoquant un déferlement dans les expériences où le nombre de Reynolds est suffisamment élevé (Rewave >200). Ce déferlement est associé à une inversion locale du champ de densité, qui déclenche une instabilité convective, et conduit à un dépôt de vorticité négative dans la zone extérieure du vortex. Quant au mélange, il est associé à deux mécanismes distincts: la perturbation du vortex par le champ d'ondes forme des bandes de mélange chaotique; le déferlement génère des zones turbulentes, dont la pénétration vers le coeur du vortex dépend de l'énergie apportée par les ondes déferlentes.

La limite semi-classique de la mécanique quantique est analogue à la limite des petits longueurs d'ondes de l'électromagnétisme, les trajectoires classiques des particules jouant le rôle des rayons optiques. Dans ce mémoire, des méthodes semi-classiques sont appliquées à la diffusion d'un faisceau atomique par un potentiel modulé périodiquement dans le temps. Des caustiques, analogues aux points focaux optiques, se produisent dans l'espace des énergies aux limites de la région permise classiquement. De même que l'optique géométrique n'est pas valable aux points focaux, où elle prédit une intensité infinie, les méthodes semi-classiques élémentaires comme BKW sont inapplicables près des caustiques. Un traitement semi-classique plus performant s'obtient par la méthode d'approximation uniforme, que nous avons généralisée au cas des problèmes périodiques Les résultats sont en bon accord avec les prédictions quantiques, aussi bien dans la région des énergies permises que dans celle des énergies interdites, où les trajectoires sont complexes.

A simplified model of a double quantum dot is presented and analyzed, with applications to spin-qubit quantum computation. The ability to trap single electrons in semiconductor nanostructures has led to the proposal of quantum computers with spin-based qubits coupled by the exchange interaction. Current theory predicts an exchange interaction with a -1 power-law dependence on the detuning ϵ, the energy offset between the two dots. However, experiment has shown a -3/2 power-law dependence on ϵ. Using WKB analysis, this thesis explores one possible source of the modified dependence, namely an ϵ-dependent tunnel coupling between the two wells. WKB quantization is used to find expressions for the tunnel coupling of a one-dimensional double-well, and these results are compared to the exact, numerical solutions, as determined by the finite difference method and the transfer matrix method. Small ϵ-dependent corrections to the tunnel coupling are observed. In typical cases, WKB correctly predicts a constant tunnel coupling at leading-order. WKB also predicts small ϵ-dependent corrections for typical cases and strongly ϵ-dependent tunnel couplings for certain exceptional cases. However, numerical simulations suggest that WKB is not accurate enough to analyze the small corrections, and is not valid in the exceptional cases. Deviations from the conventional form of the low-energy Hamiltonian for a double-well are also observed and discussed.

A simplified model of a double quantum dot is presented and analyzed, with applications to spin-qubit quantum computation. The ability to trap single electrons in semiconductor nanostructures has led to the proposal of quantum computers with spin-based qubits coupled by the exchange interaction. Current theory predicts an exchange interaction with a -1 power-law dependence on the detuning ϵ, the energy offset between the two dots. However, experiment has shown a -3/2 power-law dependence on ϵ. Using WKB analysis, this thesis explores one possible source of the modified dependence, namely an ϵ-dependent tunnel coupling between the two wells. WKB quantization is used to find expressions for the tunnel coupling of a one-dimensional double-well, and these results are compared to the exact, numerical solutions, as determined by the finite difference method and the transfer matrix method. Small ϵ-dependent corrections to the tunnel coupling are observed. In typical cases, WKB correctly predicts a constant tunnel coupling at leading-order. WKB also predicts small ϵ-dependent corrections for typical cases and strongly ϵ-dependent tunnel couplings for certain exceptional cases. However, numerical simulations suggest that WKB is not accurate enough to analyze the small corrections, and is not valid in the exceptional cases. Deviations from the conventional form of the low-energy Hamiltonian for a double-well are also observed and discussed.

Pour simuler la propagation laser, nous utilisons l'approximation paraxiale de l'équation de Klein-Gordon.<br />Dans une première partie, nous menons une analyse asymptotique de l'équation de Klein-Gordon. Nous obtenons dans divers cas des problèmes approchés de type Schrödinger ou advection-Schrödinger. Nous montrons que ces problèmes sont bien posés et estimons la différence entre problème exact et problème approché.<br />Dans une deuxième partie, nous étudions le problème d'advection-Schrödinger sur un domaine borné et non plus sur tout l'espace, et montrons quelle condition au bord il faut imposer pour que la solution de notre problème sur le domaine soit la restriction de la solution sur l'espace entier.<br />Dans une troisième partie, nous utilisons les résultats précédents pour construire une méthode de résolution numérique, et présentons les simulations obtenues.

L'instabilité du spectre des opérateurs non-autoadjoints constitue la thématique centrale de cette thèse. Notre premier objectif est de mettre en évidence ce phénomène dans le cas de certains modèles naturels tels que l'opérateur d'Airy, l'oscillateur harmonique ou l'oscillateur cubique complexes. Dans ce but, nous nous intéressons au comportement des projecteurs spectraux associés aux valeurs propres de ces opérateurs, poursuivant une démarche initiée par E. B. Davies. Le second objectif de notre travail consiste à montrer de quelle manière ces modèles peuvent contribuer à la compréhension de certains problèmes issus de domaines mathématiques et physiques aussi variés que la mécanique quantique, la supraconductivité ou la théorie du contrôle. Nos résultats sur l'instabilité spectrale de l'oscillateur cubique complexe viennent ainsi corroborer un travail de B. Krejcirik et P. Siegl, soulignant l'impossibilité de fournir une justification rigoureuse aux théories actuelles de la mécanique quantique non-hermitienne. Par ailleurs, nous nous appuyons sur les propriétés des modèles mentionnés ci-dessus pour obtenir des résultats sur le spectre et la résolvante d'opérateurs de Schrödinger à potentiels imaginaires purs dans des ouverts bornés. Ces résultats peuvent en particulier être appliqués à l'étude du système de Ginzburg-Landau dépendant du temps en supraconductivité. Enfin, nous présentons des résultats sur la contrôlabilité d'équations paraboliques dégénérées qui reposent sur une étude spectrale et pseudospectrale de l'opérateur d'Airy et de l'oscillateur harmonique complexes. Ce dernier travail est le fruit d'une collaboration avec K. Beauchard, B. Helffer et L. Robbiano.

Notre travail est motivé par le problème de l'évaluation du déterminant de Fredholm d'un opérateur intégral. Cet opérateur apparait dans l'expression de la probabilité pour qu'un intervalle [?s, s] (s > 0) ne contienne aucune valeur propre d'une matrice aléatoire hermitienne gaussienne. Cet opérateur commute avec un opérateur différentiel de second ordre dont les fonctions propres sont les fonctions d'ondes sphéroïdales de l'ellipsoïde alongé. Plus généralement nous considérons l'opérateur de Legendre perturbé. Nous montrons qu'il existe un opérateur de translation généralisée associé à cet opérateur. En?n, par une méthode d'approximation des solutions de certaines équations différentielles, dite méthode WKB, nous avons obtenu le comportement asymptotique des fonctions d'ondes sphéroïdales de l'ellipsoïde alongé Il s'exprime à l'aide des fonctions de Bessel et d'Airy. Par la même méthode nous avons obtenu le comportement asymptotique des fonctions propres de l'opérateur dfférentiel d'Airy.