Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Ce travail porte sur la mise en oeuvre en 3D de la méthode des éléments naturels contrainte CNEM en vue de son utilisation pour la simulation du cisaillage à grande vitesse. La CNEM est une approche à mi-chemin des approches sans maillage et des éléments finis. La construction de son interpolation utilise le diagramme de Voronoï contraint (dual du maillage de Delaunay contraint) associé à un nuage de noeuds répartis sur le domaine étudié muni d'une description de sa frontière. La mise en oeuvre de la CNEM comporte trois aspects principaux : i) la construction du diagramme de Voronoï contraint, ii) le calcul des fonctions de forme éléments naturels Sibson, iii) la discrétisation d'une formulation variationnelle générique par utilisation de l'intégration nodale stabilisée conforme, SCNI, introduite par Chen et Al en 2001. Une partie importante de ce travail concerne les deux derniers points. Pour le calcul des fonctions de formes Sibson 3D cinq algorithmes sont présentés, dont deux développés au cours de la thèse, et sont comparés en terme de performance. Par ailleurs, une discrétisation est proposée pour être applicable au cas des domaines fortement non convexes. La mise en oeuvre proposée est validée sur des exemples en élasticité linéaire 3D en petites perturbations (vis à vis de solutions analytiques et de résultats éléments finis) puis en grandes transformations (test de la barre de Taylor). L'application de la CNEM au cisaillage grande vitesse est finalement abordée. Les développements effectués ont été intégrés à la plateforme logicielle Nessy. Cette plateforme a pour objectif la capitalisation du savoir faire du LMSP en simulation numérique.

De nombreux laboratoires travaillent à la mise au point de mémoires quantiques, élément clef des systèmes d'information quantique de l'avenir. Les mémoires quantiques pour la lumière devraient en particulier jouer un rôle important dans les réseaux de télécommunications quantiques à grande distance. Constituée d'un ensemble d'atomes sur lequel on transpose l'état du signal lumineux, la mémoire doit être capable de sauvegarder cet état pendant un temps suffisamment long, puis de le restituer avec efficacité et fidélité. A ce jour, l'effort a surtout porté sur des protocoles liés à la Transparence Induite Electromagnétiquement (EIT), mis en oeuvre dans des nuages d'atomes refroidis par laser. Mon travail porte sur un système alternatif, les ions de terres rares en matrice cristalline (TRMC). Ces matériaux offrent une immobilité plus grande que les atomes froids. Par ailleurs, la durée de vie des états de superposition quantique, porteur de l'information stockée, y est très longue à basse température. L'élargissement inhomogène des transitions optiques distingue cependant nettement les TRMC des atomes refroidis par laser. Tirant parti de cette caractéristique, je propose un protocole de stockage original que j'explore sur le plan théorique et expérimental.

La première partie de cette thèse est consacrée à l'élaboration théorique de processus adiabatiques permettant le transfert de population entre un état initial et un état cible d'un système quantique. La stratégie du passage adiabatique parallèle pour laquelle les paramètres de couplage sont conçus de telle sorte que la différence des valeurs propres du système reste constante à chaque instant, permet de minimiser à zéro les transitions non-adiabatiques données par la formule DDP. Cette technique permet de combiner à la fois l'efficacité énergétique des méthodes impulsion-pi et la robustesse du passage adiabatique. La seconde partie de cette thèse concerne les effets de la dissipation sur le passage adiabatique. La formule de probabilité de transition d'un système à deux niveaux tenant compte des effets de la dissipation est établie. Cette formule permet de reformuler la solution générale d'un système dissipatif à deux niveaux dans la limite adiabatique qui est valable au-delà du régime de faible dissipation.

Les processus de transfert de charge sont très importants dans de nombreux domaines de la physique et de la chimie. Ils interviennent en particulier dans la conception ds plasmas astrophysiques ainsi que des plasmas de fusion. Les particules secondaires, électrons lents ou ions, générés le long du trajet des radiations jouent également un rôle crucial dans l'action des radaitions sur le milieu biologique, en relation en particulier avec les traitements du cancer. Il est donc fondamental d'avoir une connaissance approfondie des mécanismes mis en jeu dans ce type de processus, à l'échelle moléculaire. Pour cela, nous avons étudié dans cette thèse deux systèmes voisins, la collision des ions C2+ avec les molécules HF et HCI afin d'ananllyser en détail le mécanisme de transfert de charge dans ces deux réactions en d'en déduire des éléments permettant d'avoir une vue plus générals de ce type de processus. Nous nous sommes en particulier intéressés à l'anisotropie de la réaction de transfert de charge ainsi qu'aux effets dus à la vibration de la molécule diatomique cible lors de la collision. Une étude comparée des ces deux système a montré un mécanisme différent dans chaque cas liés aux interactions non-adiabatiques mises en jeu

Les processus de transfert de charge sont très importants dans de nombreux domaines de la physique et de la chimie. Ils interviennent en particulier dans la conception ds plasmas astrophysiques ainsi que des plasmas de fusion. Les particules secondaires, électrons lents ou ions, générés le long du trajet des radiations jouent également un rôle crucial dans l’action des radaitions sur le milieu biologique, en relation en particulier avec les traitements du cancer. Il est donc fondamental d’avoir une connaissance approfondie des mécanismes mis en jeu dans ce type de processus, à l’échelle moléculaire. Pour cela, nous avons étudié dans cette thèse deux systèmes voisins, la collision des ions C2+ avec les molécules HF et HCI afin d’ananllyser en détail le mécanisme de transfert de charge dans ces deux réactions en d’en déduire des éléments permettant d’avoir une vue plus générals de ce type de processus. Nous nous sommes en particulier intéressés à l’anisotropie de la réaction de transfert de charge ainsi qu’aux effets dus à la vibration de la molécule diatomique cible lors de la collision. Une étude comparée des ces deux système a montré un mécanisme différent dans chaque cas liés aux interactions non-adiabatiques mises en jeu / Collisiosns of slow multiply charged ions with molecular species have been widely investigated in the past few years. Imortant experimental and theoretical effort has been focused on reactions with simple targets. Consideration of more complex molecular targets are now of increasing interest, in particular with regardto possible direect or indirect processes occuring in the irradiation of the biological medium.. In these reactions generally at relativity low energies, different processes have to be considered: exitation and fragmentation on the molecule, ionization of the gaseous target, and also possible charge transfer from the multicharged ion toward the biomolecule..Charge transfer can be investigated theoretically in the framework of the molecular representation of the collision. Such studies provides important information on the mecanism as well as on the electronic structure of the projectile and target during the reaction. The charge-transfer process in collisions on C2+ ions with hydrogen halide molecule (HF, HCI) has been studied by means of ab initio quantum chemistry molecular methods followed by semiclassical dynamical treatment in the keV collision energy range. The mechanism has been investigated in detail in each reaction, in connection with nonadiabatic interactions around avoided crodssings between states involved in the process.

La première partie de cette thèse est consacrée à l'élaboration théorique de processus adiabatiques permettant le transfert de population entre un état initial et un état cible d'un système quantique. La stratégie du passage adiabatique parallèle pour laquelle les paramètres de couplage sont conçus de telle sorte que la différence des valeurs propres du système reste constante à chaque instant, permet de minimiser à zéro les transitions non-adiabatiques données par la formule DDP. Cette technique permet de combiner à la fois l'efficacité énergétique des méthodes impulsion-pi et la robustesse du passage adiabatique. La seconde partie de cette thèse concerne les effets de la dissipation sur le passage adiabatique. La formule de probabilité de transition d'un système à deux niveaux tenant compte des effets de la dissipation est établie. Cette formule permet de reformuler la solution générale d'un système dissipatif à deux niveaux dans la limite adiabatique qui est valable au-delà du régime de faible dissipation. / The first part of this thesis is devoted to the theoretical analysis of adiabatic processes allowing the transfer of population from an initial state to a target state of a quantum system. The strategy of parallel adiabatic passage, in which the coupling parameters are specifically designed to optimize the adiabatic passage corresponding to parallel eigenvalues at all times, allows one to combine the energetically efficiency of pi-pulse and related strategies with the robustness of standard adiabaticpassage. The second part of this thesis concerns the effects of the dissipation in adiabatic passage. The non-adiabatic transition probability formula of a two state system with dissipation is established. This formula allows on in particular to derive the general solution of a dissipative two-level system in the adiabatic limit which is valid beyond weak dissipation regimes.

Ce document présente les étapes de fabrication ainsi que la caractérisation d'un coupleur optique composé de deux guides d'ondes d'indice de réfraction éloigné. Le guide d'ondes avec le plus fort indice de réfraction est en Silicium (Si) d'indice de réfraction de 3,44 et celui de plus faible indice est fait de SU-8(TM) dont l'indice de réfraction est de 1,565. La principale caractéristique du coupleur est sa géométrie. Le couplage se fait par une approche progressive des deux guides d'ondes. Le guide d'onde de SU-8(TM) progresse vers le guide de Si en empruntant un rayon de courbure constant dans la zone de couplage pour finalement superposer le guide de Si lorsque les parcours optiques sont parallèles. Par l'approche progressive, le transfert optique se fera de façon adiabatique. Une étude numérique a montré qu'il était possible d'atteindre un coefficient de couplage de plus de 30%. Bien que les résultats expérimentaux ne soient pas aussi encourageants, ils montrent la présence non négligeable de couplage.

La vitesse de flamme adiabatique est un paramètre clé dans l'étude de la combustion d'hydrocarbures. Elle joue en effet un rôle essentiel dans le domaine de la combustion, dans la mesure où elle est utilisée pour valider des modèles numériques, pour construire des brûleurs, ou encore pour prédire d'éventuels retours de flamme ou souffles de la flamme. Le but de cette thèse a été d'étudier les vitesses de flammes laminaires d'un grand nombre d'hydrocarbures présents dans les gaz naturels, les essences et les gazoles. Ce travail comprend une partie expérimentale et une partie de modélisation. La partie expérimentale a permis d'enrichir les bases de données de la littérature pour différentes compositions de mélanges air/hydrocarbures. Les travaux ont été effectués sur un nouveau montage mis au point au LRGP (Laboratoire Réactions et Génie des Procédés) pour la mesure de vitesses de flammes laminaires par la méthode du flux de chaleur à l'aide d'un brûleur adiabatique à flamme plate. Cette méthode est basée sur l'équilibre des pertes thermiques nécessaires pour stabiliser la flamme par le flux de chaleur convectif allant de la surface du brûleur vers le front de flamme. Le brûleur est constitué d'une plaque perforée montée sur une chambre de mélange des gaz et la mesure de la distribution radiale de la température est réalisée grâce à une série de thermocouples. Ce montage a d'abord été utilisé à pression atmosphérique et plusieurs températures pour la mesure de vitesses de flammes de composés gazeux (alcanes, alcènes, méthane enrichi en hydrogène ou oxygène, gaz naturels, mélanges méthane-éthane et méthane-propane) et de composés liquides (alcanes, éthanol, essences commerciale et modèle additionnées ou non d'éthanol, alkylcyclohexanes, alkylbenzènes). Le montage a ensuite été placé dans une enceinte pour pouvoir travailler avec des pressions pouvant théoriquement aller jusqu'à 10 atm. Les vitesses de flammes de deux composés ont été étudiées à température ambiante et à haute pression : un composé gazeux, le méthane, jusqu'à une pression de 6 atm et un composé liquide, le n-pentane, jusqu'à une pression de 4 atm. Une étude de modélisation a complété ce travail par l'utilisation de modèles cinétiques détaillés pour la combustion des composés étudiés. Ces modèles ont été testés par la simulation des résultats expérimentaux précédemment obtenus, dans des conditions de richesse, température et pression variées / The laminar burning velocity is a key parameter in the combustion of hydrocarbons study. It plays an essential role in the combustion science area since it is used for the validation of numerical models, the design of burners or to predict potential flashback or blow off of the flame. The goal of the thesis was the study of laminar burning velocities of many hydrocarbons found in natural gases, gasolines or diesel fuels. This work includes an experimental part and a modeling part. The experimental part allowed the implementation of the literature database for different air/hydrocarbons mixtures. The experiments were performed with a new apparatus developed at LRGP (Laboratoire Réactions et Génie des Procédés) for the measurement of laminar burning velocities by the heat flux method thanks to a flat flame adiabatic burner. This method is based on balancing of the heat loss required for the flame stabilization by the convective heat flux from the burner surface to the flame front. The burner head is a thick perforated plate included in a plenum mixing chamber and the measurement of the radial distribution of the temperature is performed with a thermocouples series. This apparatus was first used at atmospheric pressure and several temperatures to measure laminar burning velocities of gaseous compounds (alkanes, alkenes, hydrogen-enriched or oxygen-enriched methane, natural gases, methane-ethane and methane-propane mixtures) and liquid compounds (alkanes, ethanol, commercial gasoline and model fuel with addition of ethanol or not, alkylcyclohexanes, alkylbenzènes). The apparatus was then placed in a chamber in order to work under pressures theoretically up to 10 atm. Laminar burning velocities of two compounds were studied at room temperature and high pressure : a gaseous compound, methane, for pressures up to 6 atm and a liquid compound, n-pentane, for pressures up to 4 atm. A modelling study completed this work by using detailed kinetic models for the combustion of studied compounds. These models were tested by the simulation of experimental results previously obtained, in various equivalence ratio, temperature and pressure conditions

Les boîtes quantiques semiconductrices de type InAs/GaAs ont des proprié- tés électroniques et optiques qui les rapprochent de l'atome unique. C'est dans ce contexte que se situe ce travail de thèse, qui s'intéresse à différents aspects de l'interaction lumière-matière dans ce type de système. Nous avons d'abord étudié le système couplé constitué du spin de l'électron et des spins nucléaires dans une boîte quantique unique, sous excitation non résonante. Pour ces expériences, nous avons utilisé des techniques de photoluminescence stationnaire résolues en polarisation : nous présentons des mesures complètes d'excitation de la photoluminescence, dans différentes conditions expérimentales. L'état de charge des boîtes quantiques fluctuant dans le temps d'une part et le couplage entre les spins nucléaires et le spin de l'électron via l'interaction hyperfine d'autre part sont à la base d'un effet original : il est possible de modifier optiquement les états propres de l'exciton neutre en l'absence de champ magnétique externe. Nos résultats expérimentaux sont confirmés par une spectroscopie de plus haute résolution, qui utilise un interféromètre de Fabry-Pérot placé en amont de la chaîne de détection. Nous présentons ensuite des expériences réalisées en régime cohérent, c'est-à-dire dans un temps plus court que le temps de déphasage du système, dans des échantillons à charge ajustable. Nous avons excité la boîte quantique à résonance (sur son état fondamental) avec des impulsions courtes (durée env. 1ps) limitées par la transformée de Fourier). En s'appuyant sur un schéma de détection original, nous détectons le signal de luminescence sur un état spectateur situé à quelques meV de la transition excitée. Ceci nous a permis de mettre en évidence les oscillations de Rabi de l'exciton dans une boîte quantique unique. Ensuite, en utilisant des impulsions à dérive de fréquence, nous montrons qu'il est possible de générer une population d'exciton de façon à la fois fidèle et robuste, en réalisant un passage adiabatique rapide. Ce résultat expérimental est une première étape en vue de l'implémentation puis de la manipulation d'un Q-bit dans une boîte quantique unique / Semiconductor quantum dots InAs/GaAs exhibit optical and electronic properties for which they are often compared to an individual atom. This thesis work focuses on different aspect of light-matter interaction in a single semiconductor quantum dot. The coupled system constituted by the electron spin and the nuclei spins have been studied in a single quantum dot. Photoluminescence experiments resolved in polarization have been carried out, with non resonant optical pumping : comprehensive studies in photoluminescence excitation under various experimental conditions (excitation power and polarization) have been performed. They point out the quantum dots fluctuating charge state and the strong coupling between the electron spin and the nuclear spins via hyperfine interaction. This enables the optical neutral exciton eigenstates orientation without any external magnetic field. We have confirmed these experimental results using a Fabry-Perot interferometer in order to increase the spectral resolution of our microphotoluminescence set up. In a second step, we present experiments performed in the coherent regime, in a time scale shorter than the system dephasing time, in a sample where the quantum dots are embedded in a Schottky-diode structure. The quantum dot is excited resonantly with short pulses (Fourier transform limited) and, using an original detection scheme, we detect the luminescence signal on a spectator state. We demonstrate the Rabi oscillations of the exciton state in a single quantum dot. Finally, using frequency swept chirped pulses, we show that it is possible to prepare robustly and with a strong fidelity an exciton state in a single quantum dot. This is a first step toward the Q-bit implementation and manipulation in a single quantum dot