L'importante augmentation de fluage des plaques de plâtre en milieu humide est un vieux problème dans l'industrie du bâtiment, dont l'origine n'est pas encore établie. Afin d'en comprendre le mécanisme une étude à trois échelles (macro : réponse mécanique, micro : cinétique de dissolution et nano : observation atomique) a été réalisée. Une corrélation forte existe entre le fluage du plâtre en immersion et la cinétique de dissolution du gypse. La concordance de cette corrélation avec une loi de déformation par dissolution sous contrainte, très utilisés en géologie, permet de proposer la dissolution sous contrainte comme un des mécanismes responsables du fluage du plâtre en immersion. L'évolution de la topographie de la surface du cristal de gypse immergé dans une solution aqueuse de gypse est observée par microscopie à force atomique (AFM). La cinétique de migration des marches atomiques est très dépendante de la sous-saturation de la solution, de la force d'appui de la pointe de l'AFM ainsi que des additifs utilisés. L'étude de l'influence de la force d'appui sur les vitesses des marches met en évidence la présence de deux mécanismes complètement différents. A fortes forces (_ 15 nN) on observe un mécanisme d'usure de la surface, tandis qu'à faibles forces (_ 10 nN) le mécanisme observé semble être la dissolution sous contrainte. L'évolution des vitesses des marches atomiques avec la force appliquée par la pointe est concordante avec une loi connue de dissolution sous contrainte.

L'interaction effective entre les nucléons est un ingrédient essentiel des<br />calculs microscopiques de structure nucléaire. L'une des formes utilisée<br />depuis les années 1970 est la force effective phénoménologique proposée par<br />D. Gogny. Cette force donne d'excellents résultats dans les noyaux à<br />l'approximation du champ moyen. La présence de composantes de contact ne<br />permet pas cependant de l'employer en toute généralité pour décrire les<br />corrélations au-delà du champ moyen qui se manifestent fréquemment dans les <br />noyaux.<br /><br />Dans ce travail, nous étudions des extensions de la force de Gogny, notamment<br />une généralisation où le terme dépendant de la densité de portée nulle est<br />remplacé par un terme de portée finie. Les paramètres intervenant dans la forme<br />analytique de la force sont ajustés sur les propriétés de la matière nucléaire<br />infinie symétrique et de la matière neutronique, et sur les observables globales<br />de quelques noyaux stables, en particulier celles associées aux corrélations<br />d'appariement. Nous présentons la méthode permettant d'inclure ce type de<br />force dans les codes de calcul Hartree-Fock-Bogoliubov et nous analysons les<br />résultats obtenus dans de nombreux noyaux. Les nouvelles versions de la force<br />de Gogny apparaissent reproduire la structure nucléaire avec une qualité égale<br />ou supérieure à la version traditionnelle.

Les fontaines atomiques, basées sur une transition micro-onde du Césium ou du Rubidium, constituent l'état de l'art des horloges atomiques, avec une exactitude relative avoisinant 10^{-16}. Il apparaît cependant clairement aujourd'hui qu'il sera difficile de dépasser significativement ce niveau de performance avec un dispositif de ce type.<br /><br />L'utilisation d'une transition optique, toutes choses étant égales par ailleurs, ouvre la perspective d'une amélioration de 4 ou 5 ordres de grandeur de la stabilité et de l'incertitude relative sur la plupart des effets systématiques. Les effets liés au mouvement des atomes peuvent être, quant à eux, contrôlés d'une façon totalement différente, en les piégeant dans un réseau optique pour éviter la phase de vol ballistique caractéristique des fontaines. Le point clef de cette approche réside dans le fait que les paramètres de ce piège peuvent être ajustés de façon à s'affranchir du déplacement lumineux si l'on sélectionne une transition d'horloge faiblement permise J=0 -> J=0.<br /><br />A cet égard, l'atome de strontium est l'un des candidats les plus prometteurs, la transition ^1S_0 -> ^3P_0 présente une largeur naturelle de 1 mHz, et plusieurs autres transitions facilement accessibles peuvent être utilisées en vue d'un refroidissement laser efficace des atomes jusqu'à une température de 10 µK. Ce manuscrit de thèse d'une part démontre la faisabilité expérimentale d'une horloge à réseau optique basée sur l'atome de strontium, et d'autre part expose une évaluation préliminaire de l'exactitude relative avec l'isotope fermionique ^{87}Sr, à un niveau de quelques 10^{-15}.

Ces dernières décennies, l'électronique moléculaire a suscité un intérêt croissant. La construction de jonctions métal / molécules / métal est une étape fondamentale dans la compréhension de ce domaine. Nous avons été témoins d’avancées importantes concernant les jonctions moléculaires tant sur le plan théorique que sur le plan expérimental. Cette thèse se concentre principalement sur l'étude du transport de charge à travers les jonctions moléculaires. Des polymères conducteurs et des filaments de cuivre ont été déposés, par électrochimie avec un microscope électrochimique à balayage (SECM), entre une pointe et une électrode substrat. Ainsi, nous avons développé une nouvelle façon de réaliser des contacts atomiques et des jonctions moléculaires permettant de contrôler, d’activer et de protéger ces systèmes.La fabrication de jonctions à grille redox de polymères conducteurs, tel que le PEDOT et le PBT, a été effectuée dans l’intervalle micrométrique séparant les deux électrodes du SECM. Ces nano-jonctions, hautement stables et réversibles, ont montré des conductances de 10-7-10-8 S dans leur état conducteur. Ces résultats, liés à la croissance du polymère, donnent à penser que la conductance de l'ensemble de la jonction est régie par 20 à 100 oligomères.Afin d’obtenir des nano-jonctions de manière contrôlée, une méthode combinant la stratégie dite « Break Junction » (BJ) et le SECM a été mise en place. Une nano-jonction peut être obtenue en éloignant la pointe de sa position initiale. Les variations de conductance obtenues ont montré que des jonctions moléculaires au PEDOT peuvent être brisées par paliers. Des paliers de conductance ont été mesurés par SECM-BJ, et sont comparables à ceux observés par des approches STM-BJ classiques. La technique SECM-BJ s’est avérée efficace pour la fabrication et l’étude de jonctions moléculaires de polymères à grille redox. Le SECM permet également de réaliser des nano-jonctions en utilisant une stratégie d'auto-terminaison. La croissance du polymère peut être arrêtée dès que quelques brins de polymère relient les deux électrodes initialement séparées. La taille de la jonction peut donc être contrôlée par cette méthode. Les jonctions au PTFQ et PFETQ ont montré des propriétés de transport ambipolaires. Lorsque les jonctions sont constituées de plusieurs fibres, un déséquilibre dans le transport est observé entre canaux de type p- et n-. Au contraire, un équilibre est mis en évidence lorsque les jonctions atteignent une taille nanométrique. Nous attribuons cet effet à un mécanisme de transport qui passe d’un régime diffusif (loi d’Ohm) à un régime balistique (quantique) lorsque les dimensions du dispositif deviennent nanométriques.Par ailleurs, le comportement d’électrodes d’ITO avec des nanoparticules d’or (Au NPs/ITO) dénote la présence de plasmons localisés de surface (LSP). Ces substrats ont été utilisés, sous irradiation lumineuse, pour activer la jonction démontrant ainsi que la résonance plasmon peut induire une réduction électrochimique. La diminution de conductance observée peut être attribuée à des électrons chauds générés par les plasmons sur les nanoparticules d’Au piégées dans la jonction de PEDOT, réduisant celui-ci en un état isolant.Enfin, des nano-fils de cuivre ont été élaborés par SECM en utilisant un procédé électrochimique. L’étude du transport a permis de suivre la formation de ces fils entre des électrodes asymétriques. Une étude similaire a été conduite sur une électrode constituée d’un film de silice mésoporeuse sur ITO. Les films ont une épaisseur de 115 nm et les filaments de cuivre sont protégés par encapsulation dans des canaux poreux verticaux d’environ 3 nm de diamètre. / Molecular electronics has attracted increasing interest in the past decades. Constructing metal/molecules/metal junctions is a basic step towards the investigation of molecular electronics. We have witnessed significant development in both experiment and theory in molecular junctions. This thesis focuses mainly on the study of charge transport through molecular junctions. Conducting polymers and copper filaments were electrochemically deposited with a scanning electrochemical microscope (SECM) configuration between a tip and a substrate electrode. In doing so, we have developed a new way to fabricate atomic contact and molecular junctions, and we have explored the possibility to control, protect and switch these systems.Firstly, SECM, where two microelectrodes are located face-to-face separated by a micrometric gap, has been successfully used for the fabrication of redox-gated conducting polymers junctions, such as PEDOT and PBT. Highly stable and reversible redox-gated nano-junctions were obtained with conductance in the 10-7-10-8 S range in their conducting states. These results, associated with the wire-like growth of the polymer, suggest that the conductance of the entire junction in the conductive state is governed by less than 20 to 100 oligomers.Secondly, to obtain the nano-junctions in a controllable way, a break junction strategy combined with the SECM set up is adopted. A nano-junction could be acquired by pulling the tip away from its initial position. And conductance traces showed that PEDOT junctions can be broken step by step before complete breakdown. Similarly as STM-BJ conductance steps were observed on a PEDOT molecular junction before break down by using SECM-BJ. SECM break junction technique proved to be an efficient way of molecular junction fabrication studies, especially for redox gated polymer molecular junctions. Moreover, a self-terminated strategy is found to be another way to obtain nano-junctions. An external resistance connected to the electrode plays an important role in controlling the size of conducting polymer junctions.PFTQ and PFETQ molecular junctions exhibit well-defined ambipolar transport properties. However, an unbalanced charge transport properties in n- and p- channel for these two polymer junctions was observed when the junctions are in the fiber device scale. In contrast, when molecular junction changes into nano-junction, a balanced n- and p-channel transport property is acquired. We propose that such effect is due to charge transport mechanism changing from diffusive (ohm’s law) to ballistic (quantum theory) when the junction size is reduced from fiber devices to nanodevices.High stable Au NPs/ITO electrodes exhibit a well localized surface plasmon (LSP) behavior. These plasmonic substrates have been successfully used to trigger switching of molecular junctions under light irradiation, demonstrating that surface plasmon resonance can induce electrochemical reduction. Such conductance reduction can be attributed to the hot electrons plasmonically generated from gold nanoparticles trapped into the PEDOT junction, resulting in PEDOT being reduced and changed to an insulating state.Finally, copper metallic nanowires were generated using an electrochemical self-terminated method based on SECM configuration. The presence of a few atoms that control the electron transport highlights the formation of metallic nanowires between the asymmetric electrodes. Furthermore, a similar study was performed on mesoporous silica film on ITO used as a substrate electrode. The mesoporous silica films have vertically aligned channels with a diameter of about 3 nm and a thickness of 115 nm, which play a crucial role in protecting the copper filament.

Nous abordons trois sujets concernant la physique des atomes. Le premier sujet présente une nouvelle méthode d'analyse de spectres X des ions d'argon, de soufre et de chlore très chargés (2 à 4 électrons), dans le cadre d'une expérience située à l'Institut Paul Scherrer utilisant un spectromètre à cristal courbe. Elle s'appuie sur la reproduction de l'expérience à l'aide d'une simulation basée sur le tracé de rayons, ce qui permet de reproduire le lien entre spectres et énergies de transitions. Nous expliquons comment l'agencement géométrique des rayons X réfléchis par le cristal donne lieu au raies de transitions détectées. Nous présentons les caractéristiques du spectromètre. Nous expliquons la méthode d'analyse ; nous démontrons que la prise en compte de la répartition d'intensité de la source est essentielle et nous établissons la liste des paramètres critiques entrant en jeu. Enfin, nous établissons la liste des résultats et les comparons aux autres valeurs expérimentales et aux valeurs théoriques. Le second sujet présente la mise en place sur une source à plasma située à Jussieu au Laboratoire Kastler Brossel d'un spectromètre à deux cristaux plans dans le but d'obtenir des valeurs absolues pour les transitions ayant lieu dans des ions très chargés. Nous expliquons le principe fondamental, nous abordons la question de l'analyse des données, nous détaillons ensuite les caractéristiques techniques en présentant les étapes de l'élaboration de ce spectromètre et enfin nous présentons les premiers résultats. Le dernier sujet porte sur les calculs de QED des niveaux d'énergies de l'hydrogène pionique, qui est un atome exotique constitué d'un proton et d'un pion. Le pion est de masse et de taille comparable à celle du proton, et de spin nul. C'est également un hadron, c'est-à-dire une particule capable d'interagir avec le proton via l'interaction forte. Nous expliquons comment la détermination théorique de la contribution électromagnétique aux niveaux d'énergies, associée aux résultats expérimentaux obtenus à l'institut Paul Scherrer permet de déduire les valeurs des longueurs de diffusions hadroniques, pour lesquelles les prévisions théoriques issues de différents points de vues sont en désaccord. Nous présentons ensuite les calculs où les particularités du système entrent en jeu et enfin nous illustrons l'influence de nos résultats sur les valeurs des longueurs de diffusions.

La génération d'harmoniques d'ordre élevé en milieu gazeux est un phénomène décrit par un modèle à trois étapes: sous l'effet d'un champ laser intense, un atome (ou une molécule) est ionisé par effet tunnel. L'électron éjecté est par la suite accéléré dans le champ laser, avant de se recombiner sur son ion parent en émettant un photon XUV. D'abord utilisée dans le but de développer des sources de rayonnement secondaire dans le domaine XUV, la génération d'harmoniques d'ordre élevé est également un bon candidat pour sonder la structure électronique des atomes ou des molécules, avec une résolution potentielle de l'ordre de l'attoseconde dans le domaine temporel (1 as=10-18 s) et sub-nanométrique dans le domaine spatial. Au cours des travaux réalisés pendant cette thèse, nous avons étudié la sensibilité des caractéristiques du rayonnement harmonique (amplitude, état de polarisation, phase) à la structure électronique du milieu de génération. Ces études ont été menées tout d'abord dans un milieu atomique couramment utilisé en génération d'harmonique, l'argon, puis dans des milieux moléculaires (N2, CO2, O2). La confrontation de ces mesures avec différentes simulations numériques montre la nécessité de modéliser de façon détaillée le processus de génération, dépassant certaines hypothèses généralement admises. Nous avons également montré la possibilité d'utiliser la spectroscopie d'harmoniques d'ordre élevé afin de mesurer des dynamiques moléculaires de systèmes complexes (notamment le dioxyde d'azote NO2), pour lesquelles les mesures harmoniques peuvent obtenir des résultats complémentaires aux autres techniques couramment utilisées. Dans le cas d'excitations moléculaires peu efficaces, nous avons pu adapter des techniques de spectroscopie optique conventionnelle au domaine spectral des harmoniques d'ordre élevé, améliorant de manière significative le rapport signal/bruit.

Les horloges atomiques miniatures présentent des stabilités de fréquence inégalées avec des volumes de quelquescentimètres cubes et des consommations inférieures à 100mW.Dans cette thèse, les paramètres optimaux concernant la conception et la fabrication des cellules à vapeur decésium, un des composant clés de ce type d’horloges, sont définis. Ainsi, les performances de plusieurs cellulesont été caractérisées en condition d’horloge à court et long terme. En parallèle, des solutions sont proposéespour pallier à certaines limitations telles que la plage de température opérationnelle, le coût de fabrication dudispositif et la facilité d’assemblage du module physique.Un nouveau mélange de gaz tampon composé de néon et d’hélium peut étendre la plage de fonctionnementau-dessus de 80 C, en adéquation avec les besoins industriels. A l’inverse des gaz tampon usuels, ce mélangeest compatible avec les dispensers de césium solides, dont la fiabilité est établie.Outre les gaz tampon, les revêtements permettent également de limiter la relaxation induite par les parois dela cellule. Ici, des revêtements d’octadécyltrichlorosilane sont étudiés. Un effet anti-relaxant a été observé dansdes cellules centimétriques et un procédé a été développé pour revêtir des cellules micro-fabriquées.D’autres sources de césium sont présentées pour s’affranchir des inconvénients propres aux dispensers solides.Un dispenser sous forme de pâte, qui peut être déposée collectivement, a été étudié et montre des densitésatomiques stables jusqu’à présent. Un concept de vannes hermétiques micro-fabriquées a été proposé poursceller hermétiquement et séparer des cellules d’un réservoir de césium commun.Les premières étapes vers un module physique micro-fabriqué sont ensuite présentées. En particulier, un designoriginal de cellule combinant des réseaux de diffraction à une cavité en silicium formée par gravure anisotropea été caractérisé et a montré des contrastes CPT remarquables malgré un volume de cavité réduit, ce qui permettraitde réaliser un module physique particulièrement compact. Enfin, des cellules intégrant des résistanceschauffantes et thermométriques ont été fabriquées et leur compatibilité vis-à-vis du champ magnétique généréa été caractérisée dans un prototype de module physique compact. / Chip-scale atomic clocks (CSACs) provide unprecedented frequency stability within volumes down to a fewcubic centimeters and power consumptions as low as 100mW.In this work, we determine the optimal parameters regarding the design and the fabrication of cesium vaporcells, one of the key components of a CSAC. For this purpose, cells were characterized on both short and longtermperformances in clock setups. In addition, we propose solutions to overcome present limitations includingthe operating temperature range, the device microfabrication cost and the ease of integration of the physicspackage.A novel mixture of buffer-gas composed of neon and helium was found to potentially extend the operating rangeof the device above 80 C, meeting the industrial requirements. Unlike the well-known buffer gas compositions,this mixture is compatible with solid cesium dispensers whose reliability is established. As an alternativeto buffer gases, wall coatings are known to limit the relaxation induced by sidewalls. Here, we investigatedoctadecyltrichlorosilane (OTS) coatings. An anti-relaxation effect has been observed in centimeter-scale cellsand a process was developed to coat microfabricated cells.Other cesium sources have been investigated to overcome the drawbacks imposed by solid cesium dispensers. Apaste-like dispenser, which can be deposited collectively, was explored and has shown stable atomic densities sofar. Single-use zero-leak micro valves were also proposed to hermetically seal and detach cells from a commoncesium reservoir.Eventually, the first steps toward a microfabricated physics package were made. In particular, an originalcell design combining diffraction gratings with an anisotropically etched single-crystalline silicon sidewalls wascharacterized and exhibited remarkable CPT contrasts despite a reduced cavity volume, which could lead to amore compact physics package. Finally, cells with integrated heating and temperature sensing resistors werefabricated and their magnetic field compliance was characterized in a compact physics package prototype.

Ce travail expérimental est consacré à l'étude de l'émission ionique des solides à l'impact d'agrégats d'or d'énergie variant entre 0,15 et 1,25 MeV. La physique des collisions ion-solide et les modèles théoriques de la pulvérisation des solides par bombardement ionique sont présentés dans le chapitre 1. Le chapitre 2 est consacré à la description du dispositif expérimental. L'étude d'une cible d'or, présentée dans le chapitre 3, a permis de montrer le rôle de la taille et de l'énergie des agrégats sur l'intensité de l'émission et la distribution de masse des ions. Le chapitre 4 présente l'étude de l'iodure de césium dans laquelle l'intense émission des agrégats de CsI a pu être quantifiée grâce à des mesures de la multiplicité de l'émission. Le chapitre 5 est consacré à l'étude d'une molécule biologique, la phénylalanine, et d'une molécule de pesticide, le chlorsulfuron. Ce travail met en évidence l'intérêt des agrégats en analyse de surface par spectrométrie de masse.

La définition de la seconde est basée sur l'atome de césium. A ce jour, les meilleures horloges sont des fontaines à atomes froids de césium. Elles réalisent la seconde avec une exactitude de 10^{-15}. Leur stabilité, limitée de manière ultime par le bruit de projection quantique, vaut typiquement 6 x 10^{-14}\tau^{-1/2} pour 4 x 10^5 atomes détectés, et atteint 6 x 10^{-16} en 3 heures d'intégration. Dans ces conditions, les interactions entre atomes froids déplacent la fréquence de l'horloge d'environ 3 x 10^{-14}. Ce déplacement est techniquement difficile à corriger au niveau de quelques 10^{-16}. Ce travail de thèse montre que l'utilisation du ^{87}Rb est une alternative intéressante au Cs, puisque son déplacement collisionnel est près de 100 fois plus petit. Dans un premier temps, nous caractérisons les performances de la fontaine à ^{87}Rb construite pendant ce travail de thèse. Puis, nous modélisons les effets dépendant du nombre d'atomes dans les fontaines : le déplacement collisionnel et l'entraînement de fréquence par la cavité micro-onde. Ces deux effets sont<br />mesurés simultanément par une méthode différentielle. La modélisation de l'évolution du nuage atomique dans la fontaine permet de confronter nos mesures avec les prédictions théoriques sur les longueurs de diffusion en onde "s". Par ailleurs, la comparaison des fréquences hyperfines du Rb et du Cs dans des fontaines indépendantes nous a permis de réaliser un test de la dérive de la constante de structure fine \alpha au niveau de <br />7 x 10^{-15}.an^{-1}. Afin d'améliorer ce test, nous avons construit une fontaine pouvant fonctionner simultanément au Rb et au Cs. Les améliorations techniques apportées sur cette<br />horloge, conjointement à une nouvelle procédure de mesure du déplacement collisionnel du Cs, devraient permettre d'explorer la gamme d'exactitude des 10^{-16} pour ces deux alcalins.

Nous présentons une étude théorique de l'interaction entre un atome à deux électrons actifs et un champ laser de fort éclairement (10e14 à 10e15 W/cm²) et de durée d'impulsion ultra-brève (quelques 10e-15 à quelques 10e-18 s). Nous décrivons dans un premier temps les techniques expérimentales actuelles capables de produire un rayonnement cohérent de haute puissance dans le domaine spectral UV-XUV, et de durée d'impulsion de l'ordre de la femtoseconde ou subfemtoseconde. Un modèle semi-classique d'une impulsion laser avec de telles caractéristiques est alors défini. Puis, nous développons une méthode numérique basée sur l'utilisation des fonctions B-splines pour décrire la structure électronique d'un atome à deux électrons actifs. Un traitement non perturbatif de type spectral est alors proposé pour représenter la propagation dans le temps de la fonction d'onde du système irradié, où le point important est de définir le plus précisément possible la région du double continuum atomique. Nous exposons finalement des résultats sur la double ionisation des atomes d'hélium et de béryllium en présence d'un champ laser intense et bref, issus de notre approche numérique. Ils concernent en particulier des calculs de sections efficaces totales d'ionisation, et de distributions énergétiques entre les électrons éjectés dans le double continuum après absorption d'un photon et de deux photons.