Les travaux de thèse, présentés dans ce manuscrit, portent sur la caractérisation et la modélisation des sources de bruit basse fréquence dans les transistors bipolaires à hétérojonction Si/SiGe:C issus des filières BiCMOS 130 et 55 nm utilisées pour la réalisation de circuits intégrés dédiés aux futures applications dans le domaine du THz. A partir des mesures réalisées en fonction de la polarisation, de paramètres géométriques (surface et périmètre d'émetteur principalement) et de la température, la composante de bruit en 1/f, associée aux fluctuations du courant de base, a été entièrement caractérisée et les sources de bruit associées localisées. Les paramètres du modèle compact SPICE ont été extraits et comparés avec ceux de la littérature. Pour la technologie BiCMOS 130 nm, la valeur obtenue pour la figure de mérite KB égale 6,8 10-11 µm² ce qui représente le meilleur résultat publié à ce jour, toutes filières de transistors bipolaires confondues. Réalisée sur une plaque entière, l'étude statistique de la dispersion du niveau de bruit en 1/f a permis d'étendre la modélisation compacte de type SPICE. Mesuré sur une large gamme de température, le niveau de bruit en 1/f n'a pas présenté de variation significative. Pour la première fois, une étude complète de la composante de bruit en 1/f associée aux fluctuations du courant de collecteur est présentée et les paramètres du modèle SPICE extraits. Concernant la caractérisation des composantes de génération-recombinaison (présence non systématique), une étude statistique a montré que les transistors de plus petites dimensions étaient les plus impactés. La comparaison entre les différentes technologies montre que ces composantes sont beaucoup plus présentes dans les technologies les moins matures. Quand ces composantes ont été associées à du bruit RTS, une méthode de caractérisation temporelle et fréquentielle a été mise en œuvre. Enfin, dans certains cas, une étude en basses températures a permis d'extraire les énergies d'activation des pièges responsables de ces composantes de génération-recombinaison. / The presented thesis work, in this manuscript, focuses on the characterization and modeling of the low frequency noise sources in heterojunction bipolar transistors Si/SiGe :C derived from 130 to 55 nm BiCMOS technology used in the production of integrated circuits dedicated for THz domain applications. From measurements versus bias, geometrical parameters (emitter area and perimeter) and temperature, the 1/f noise component, associated to the base current fluctuations, has been fully characterized and the associated sources have been localized. The SPICE compact model parameters have been extracted and compared with those of the literature. For the BiCMOS 130 nm technology, the obtained figure of merit value of 6,8 10-11 µm2 represents the best published result so far in all bipolar transistors. The dispersion study of the 1/f noise component, performed over a complete wafer, allowed us to extend the SPICE type compact modeling. Measured over a large temperature range, the 1/f noise did not show any variations. For the first time, a complete characterization of the 1/f component at the output of the transistors is presented as well as the extraction of SPICE parameters. Regarding the characterization of generation-recombination components (unsystematic presence), a statistical study has showed that transistors with small emitter areas (Ae < 1 µm2) are affected more than the transistors with large emitter areas by the presence of g-r components. Comparison between different technologies shows that these components are much more present in the less mature technologies. When these components have been associated to RTS, time and frequency domain method is implemented. Finally, in some cases, a study at low temperatures was used to extract the activation energy of the traps responsible for the generation-recombination components.

L'évolution topographique des chaînes de montagne résulte d'interactions complexes entre la tectonique et le climat via l'action des processus de surface. La quantification de l'évolution du relief passe par le développement d'outils méthodologiques permettant d'identifier les processus mis en jeu pour des échelles de temps (103-106 années) et d'espace (1-100 km) caractéristiques de contextes orogéniques. Dans cette étude, l'évolution Néogène et Quaternaire du relief des Alpes Européennes est abordée à partir d'une approche couplant la thermochronométrie basse-température in-situ (essentiellement (U-Th-Sm)/He et 4He/3He sur apatite) et la modélisation numérique. Le développement d'une méthode numérique associant la modélisation thermo-cinématique (Pecube) à un algorithme d'inversion (Neighbourhood Algorithm) permet l'interprétation quantitative de données thermochronologiques en termes d'histoires d'exhumation et d'évolution du relief. La quantification de l'évolution du relief reste néanmoins problématique et fortement dépendante du contexte géomorphologique étudié. Cette étude implique la nécessité de repenser a priori la stratégie d'échantillonnage et d'interprétation des données suivant le contexte géomorphologique considéré et le signal d'exhumation que l'on cherche à quantifier via la thermochronologie. Enfin, l'application de cette approche à un jeu de données thermochronologiques échantillonnées dans le massif des Ecrins-Pelvoux (Alpes françaises) révèle l'existence d'un épisode d'exhumation rapide cessant autour de ~5-6 Ma, encadré par des taux d'exhumation plus modérés. Cependant, les données ne permettent pas de conclure quant à l'évolution tardi-Néogène du relief dans le massif des Ecrins-Pelvoux. L'application de la thermochronométrie 4He/3He dans la vallée du Rhône (Alpes suisses), couplée à des données thermochronologiques issues de la littérature, confirme un épisode d'exhumation rapide jusqu'à ~5-7 Ma, et révèle une augmentation majeure du relief local (~1-1.5 km) associée au creusement des vallées par d'importants appareils glaciaires. Le début de cette phase de creusement correspond à la transition climatique Mi-Pléistocène (~1 Ma) depuis des cycles glaciaires symétriques de 40 ka vers des cycles asymétriques (100 ka) de plus forte amplitude. Ces données permettent également de reconstruire la topographie pré-glaciaire du bassin versant du Rhône, et ainsi d'évaluer, à une échelle plus globale, l'impact des glaciations Pléistocènes sur l'évolution du relief. Des résultats préliminaires issus de la modélisation numérique des processus glaciaires mettent en évidence le potentiel d'une telle approche afin de tester quantitativement l'influence de la transition climatique Mi-Pléistocène sur le développement du relief alpin, ouvrant de nouvelles perspectives de recherche. Enfin, l'étude de l'évolution topographique post-glaciaire dans le massif des Ecrins-Pelvoux (modélisation numérique et utilisation du 10Be cosmogénique produit in-situ) met en évidence une dynamique d'érosion fluviale pouvant atteindre localement des vitesses de l'ordre du cm an-1, illustrant l'évolution géomorphologique rapide en réponse à la transition climatique entre le tardi-Pléistocène et l'Holocène. / The topographic evolution of mountain belts results from complex couplings between tectonics, climate and surface processes. Quantifying landscape evolution requires methodological tools to constrain forcing processes over temporal (103-106 years) and spatial (1-100 km) scales characteristic of orogenic systems. This thesis investigates the Neogene and Quaternary relief evolution of the European Alps using in situ low-temperature thermochronometry (mostly apatite (U-Th-Sm)/He and 4He/3He) and numerical modeling. A novel numerical approach combining thermal-kinematic modeling (Pecube) with an inversion scheme (Neighbourhood Algorithm) allows extracting quantitative information on exhumation and relief histories from thermochronological datasets. Quantifying relief evolution remains problematic, however, and strongly depends on the geomorphic setting. Our results show that both thermochronology data sampling and modeling strategies have to be considered a priori, in function of the geomorphic setting and the spatial/temporal scale of the exhumation signal to be constrained. This approach has been applied on a thermochronological dataset collected in the Ecrins-Pelvoux massif (French Alps). The results show a pulse of rapid exhumation until ~5-6 Ma, preceded and followed by more moderate rates of exhumation. However, the data cannot resolve the late-Neogene relief evolution in the Ecrins-Pelvoux massif. New 4He/3He thermochronometry data from the Rhône valley (Swiss Alps), combined with thermochronological data from the literature, also point out an episode of rapid exhumation until ~5-7 Ma, and reveal a major increase in local topographic relief (~1-1.5 km) linked to valley carving by large mountain glaciers. The onset of this phase of relief carving corresponds to the Mid-Pleistocene transition from symmetric 40-ka to asymmetric and high amplitude 100-ka glacial/interglacial oscillations. The new data also permit to reconstruct the pre-glacial topography of the Rhône basin, and to evaluate the net effect of Pleistocene glaciations on relief evolution at the basin scale. Preliminary results from numerical modeling of glacial dynamics highlight the potential opportunity of using such an approach to quantitatively assess the impact of the Mid-Pleistocene climate transition on Alpine relief development, leading to new research avenues. Finally, the post-glacial topographic evolution of the Ecrins-Pelvoux massif has been studied using numerical modeling and in situ cosmogenic 10Be analyses. The results suggest efficient fluvial incision at rates of cm yr-1, illustrating the efficient landscape response to late-Pleistocene/Holocene climate change.

Les mesures de conduction thermique ont été effectuées à basses températures dans le supraconducteur ferromagnétique UCoGe et dans le composé faiblement antiferromagnétique YbRh2Si2. Les fluctuations magnétiques sont un élément important dans les propriétés de deux composés, et sont responsables d'un canal de chaleur à basses températures. Dans UCoGe, la contribution supplémentaire causée par les fluctuations magnétiques a la même dépendance en champ magnétique que celles vues par RMN. Étonnamment, un nouveau canal de chaleur apparaît à très basses températures. Les mesures dans l'état supraconducteur ont confirmé le caractère multigap de UCoGe. Des mesures de XMCD ont également faites dans UCoGe. Elles ont montré que les états électroniques sont très sensibles au champ magnétique, ce qui donne une nouvelle preuve de sa petite énergie de Fermi. Dans YbRh2Si2, les fluctuations magnétiques sont suspectées d'être responsables d'un canal de chaleur visible à très basses températures, empêchant de pouvoir conclure sur la violation ou la validité de la loi de Wiedemann-Franz au niveau du point critique quantique. Cependant, les résultats peuvent être interprétés sans avoir recours à sa violation. / Thermal conductivity measurements have been performed at low temperatures and under field in the superconducting ferromagnet UCoGe and in the weak antiferromagnet YbRh2Si2. In both systems, the magnetic fluctuations have an important role in their properties, and it appeared that they contribute as a heat channel, seen by thermal conductivity at low temperatures. In UCoGe, the extra contribution due to the magnetic fluctuations have the same field dependence as the one measured by NMR, and, unexpectedly, a new heat channel appears at very low temperatures. Furthermore, thermal conductivity measurements in the superconducting state have confirmed the multigap superconductivity of UCoGe. XMCD measurements have also been performed in UCoGe. The electronic states are very sensitive to the magnetic field, which gives another evidence for its small Fermi energy. In YbRh2Si2, the very low temperature thermal conductivity measurements have shown that an extra contribution appears at very low temperature, which avoids to conclude definitively about the violation or the validation of the Wiedemann-Franz law at the quantum critical point, even if the results can be interpreted supposing its validation.

Cette thèse étudie les phases classiques et quantiques des systèmes atomiques ou moléculaires de basse dimension en mettant un accent particulier sur le crossover dimensionnel de une à deux dimensions.La première partie de la thèse est consacrée à la description d'un système d'atomes froids interagissants avec un potentiel de contact. Plus précisément, nous étudions le dé-piégeage dynamique qui, suite à l'extinction rapide d'un réseau optique, s'opère dans un gaz composé de bosons impénétrables dans un guide d'onde atomique linéaire.  Nous employons une solution exacte, basée sur une  correspondance entre bosons en forte interaction et fermions sans interaction pour déduire l'évolution dynamique quantique exacte. Dans la limite thermodynamique, nous observons l'approche vers un état stationnaire hors équilibre, caractérisé par l'absence d'ordre hors diagonal à longue distance et une visibilité réduite de la distribution en impulsions. Des caractéristiques similaires sont observées dans un système de taille finie pour des temps  correspondant à la moitié du temps de récurrence, lors desquels nous observons que le système approche un état  quasi-stationnaire auquel le système s'approche avec une dépendance temporelle en loi de puissance.La deuxième partie de la thèse analyse l'effet des interactions dipolaires sur l'état fondamental du système. L'inclusion de l'interaction dipôle-dipôle donne lieu à de nouvelles phases quantiques du système unidimensionnel, mais peut également entraîner une instabilité transverse.Cette instabilité est tout d'abord analysée dans le régime classique. Nous considérons des particules classiques  avec interactions dipolaires, confinés sur un anneau par un potentiel harmonique radiale.  Les dipôles sont polarisés perpendiculairement au plan de confinement. En diminuant le confinement dans la direction radiale, les particules classique montrent une transition entre une chaîne simple et une chaîne double (en zigzag).  Nous montrons que cette transition est faiblement du premier ordre. Nous expliquons que la nature de cette transition est déterminée par le couplage entre les modes d'excitation transversaux et axiaux de la chaîne des dipôles.  Ce résultat est très différent du  comportement observé dans les systèmes Coulombiens, où la transition entre la chaîne linéaire et la chaîne en zigzag est continue et appartient à la classe d'universalité de la transition ferromagnétique. Nos résultats s'appliquent aux systèmes dipolaires classiques et aux atomes Rydberg, qui peuvent constituer un banc d'essai pour simuler le comportement critique des aimants couplés à des grilles.Dans le régime quantique, nous considérons un système des bosons dipolaires sur un réseaux optique, confinés par un potentiel harmonique anisotrope. Dans le régime favorisant l'instabilité d'une chaîne simple, nous démontrons que le système peut être  décrit  par un modèle de  Bose-Hubbard étendu à plusieurs modes couplés entre eux, dont les coefficients peuvent être déterminés en utilisant une théorie de basse énergie. La méthode d'intégrale de chemin Monte Carlo, la diagonalisation exacte et TEBD sont utilisés pour déterminer l'état fondamental de modèle de Bose-Hubbard étendu et démontrent que ce modèle capture la transition entre la chaîne linéaire et la chaîne en zigzag. / In this work, the classical and quantum phases of low-dimensional atomic or molecular systems is studied with a particular focus on the regime where a system goes over from a strictly one-dimensional to a two dimensional system.The first part of the thesis is dedicated to atoms interacting via contact interactions. In particular, we study the dynamical depinning following a sudden turn off of an optical lattice for a gas of impenetrable bosons in a tight atomic waveguide. We use an exact solution, which is based on an equivalence between strongly interacting bosons and noninteraction fermions, in order to derive the exact quantum dynamical evolution. At long times, in the thermodynamic limit, we observe the approach to a nonequilibrium steady state, characterized by the absence of quasi-long-range order and a reduced visibility in the momentum distribution. Similar features are found in a finite-size system at times corresponding to half the revival time, where we find that the system approaches a quasisteady state with a power-law behavior.In the second part, we study the effect of additional dipolar interactions on the ground state of the system. The inclusion of dipole-dipole interaction leads to new quantum phases of the one-dimensional system, but can also lead to a transverse instability.This instability is first analyzed in the classical regime. We study classical particles with dipolar interactions, that are confined on a chain by a harmonic potential. The dipoles are polarised perpendicular to the plane of confinement. Classical particles with repulsive power-law interactions undergo a transition from a single to a double chain (zigzag) by decreasing the confinement in the transverse direction. We theoretically characterize this transition when the particles are classical dipoles, polarized perpendicularly to the plane in which the motion occurs, and argue that this transition is of first order, even though weakly. The nature of the transition is determined by the coupling between transverse and axial modes of the chain and contrasts with the behavior found in Coulomb systems, where the linear-zigzag transition is continuous and belongs to the universality class of the ferromagnetic transition. Our results hold for classical dipolar systems and Rydberg atoms, which can offer a test bed for simulating the critical behavior of magnets with lattice coupling.In the quantum regime, we consider dipolar bosons in an optical lattice, tightly confined by an anisotropic harmonic potential. In the regime where a single chain becomes unstable, we show that the system can be mapped onto an extended multi-mode Bose-Hubbard model, where the coefficients can be determined by means of a low energy theory. A path integral Monte Carlo method, exact diagonalization and TEBD are used to determine the ground state of the extended Bose-Hubbard models. and show that the model captures the linear to zigzag transition.

L'introduction de la supraconductivité dans des structures de type MOSFET en silicium ouvre de nouvelles perspectives dans la recherche en physique. Dans cette thèse, on s'intéresse aux propriétés de transport électronique au sein d'un MOSFET fabriqué avec des sources et drains supraconducteurs. Afin de garantir la reproductibilité de ces dispositifs, il est important d'intégrer des matériaux supraconducteurs compatibles avec la technologie CMOS exploitant la technologie silicium qui a pour énorme avantage d'être véritablement fiable et mature. L'idée fondamentale est de réaliser un nouveau type de circuit supraconducteur avec une géométrie de type transistor dans lequel un supracourant non dissipatif circulant au sein du dispositif, de la source vers le drain, serait modulé par une tension de grille : un JOFET. Une perspective importante est la réalisation d'un qubit supraconducteur grâce à une technologie parfaitement reproductible et mature. Cependant, à très basse température et avec la diminution de la taille des dispositifs, deux phénomènes a priori antagonistes entrent en compétition, à savoir la supraconductivité qui implique un grand nombre d'électrons condensés dans le même état quantique macroscopique et l'interaction Coulombienne qui décrit des processus de transport à une particule. L'intérêt de l'étude est donc de réaliser de tels transistors afin de mieux comprendre comment ce genre de dispositif hybride peut s'adapter à des propriétés opposées. Dans cette thèse, j'ai étudié deux façons d'introduire la supraconductivité dans nos dispositifs. La première option est de réaliser des sources et drains en silicium rendus supraconducteurs par dopage en bore et recuit laser effectué grâce à des techniques de dopage hors-équilibre robustes et bien maîtrisées. Même si la supraconductivité du silicium très fortement dopé en bore est connue depuis 2006 et son état supraconducteur a été très bien caractérisé sur des couches bidimensionnelles, la supraconductivité du SOI, qui est le substrat initial à la base de certains transistors, n'a jamais encore été testée et étudiée. L'objectif est de pouvoir adapter ces techniques de dopage au SOI afin de le rendre supraconducteur et de pouvoir l'intégrer par la suite dans des dispositifs de type MOSFET. La seconde option considérée est la réalisation de source et drain à base de siliciures supraconducteurs tel que le PtSi. Ce siliciure est intéressant du point de vue de sa température critique relativement haute de 1K. D'un point de vue technologique, les MOSFETs à barrière Schottky présentant des contacts en PtSi supraconducteur ont été élaborés au CEA/LETI. Les mesures à très basse température au sein d'un cryostat à dilution ont mis en évidence cette compétition entre la supraconductivité et les effets d'interaction Coulombienne et ont également révélé la supraconductivité dans le MOSFET comportant des contacts en PtSi grâce notamment à l'observation du gap induit dans le dispositif. / Superconducting transport through a silicon MOSFET can open up many new possibilities ranging from fundamental research to industrial applications. In this thesis, we investigate the electric transport properties of a MOSFET built with superconducting source and drain contacts. Due to their advantages in terms of scalability and reproducibility, we want to integrate superconducting materials compatible with CMOS technology, thus exploiting the reliable and mature silicon technology. The idea is to realize a new type of superconducting circuits in a transistor geometry in which a non-dissipative supercurrent flowing through the device from source to drain will be modulated by a gate: a JOFET. One important outcome is the realization of superconducting qubits in a perfectly reproducible and mature technology. However, at low temperature and with the reduction of the size of the devices, two antagonistic phenomena appear. The dissipation-free transport of Cooper pairs competes with lossy single-particle processes due to Coulomb interactions. The goal is to understand how these two conflicting properties manifest in such hybrid devices. In this thesis, I studied two different ways of introducing superconductivity in the devices. We deployed a high boron doping and a laser annealing provided by well-controlled out-of-equilibrium doping techniques to make the silicon superconducting. Although highly boron-doped silicon has been known to be superconducting since 2006, superconductivity of SOI, the basic brick of some transistors, was never tested before. We aim at adapting those doping techniques on SOI in order to make it superconducting and to integrate it in transistor-like devices. In a second project, we study source and drain contacts fabricated with superconducting silicides such as PtSi. Such Schottky barrier MOSFETs with superconducting PtSi contacts are elaborated at the CEA/LETI. Measurements at very low temperature revealed the competition between superconductivity and Coulomb interactions and moreover, have brought evidence of superconductivity in PtSi based silicon Schottky barrier MOSFET.

L’utilisation d'énergie en milieu urbain est essentielle pour le bon fonctionnement de notre société, en particulier pour les besoins de chauffage qui est un élément central de notre système énergétique souvent considéré comme allant de soi. Dans ce cadre, les systèmes énergétiques urbains et en particulier les réseaux de chaleur urbains ont besoin d’évoluer pour s'adapter à la transition à venir vers un système énergétique durable. Ce travail de recherche a pour objectif de présenter, de discuter et d’évaluer, du point de vue technico-économique, le concept de micro-réseaux de chaleur urbains basse température comme réseaux secondaires de distribution de chaleur actifs. Dans cette thèse, une approche méthodologique mixte basée sur la simulation analytique pour l'évaluation des alternatives est développée et discutée pour étudier une combinaison de technologies associées aux sous-stations basse température. Les principaux résultats de ce travail couvrent : le développement d’un modèle amélioré de charges thermiques agrégées ; la comparaison des performances des réseaux basse température ; l’analyse des avantages et des inconvénients des sous-stations actives couplées à des sources de chaleur ou du stockage distribuées ; et les effets d’une température de retour du réseau primaire plus basse. Les conclusions révèlent que la conception et le fonctionnement intégrés du micro-réseau de chaleur urbain actif ont le potentiel d'améliorer les performances de l'ensemble du système, afin de relever ses défis d'une manière efficace et rentable. Ce travail fait progresser les connaissances actuelles sur le chauffage urbain en identifiant les synergies et les enjeux associés, en vue de que ces technologies jouent un rôle clé dans le futur système énergétique intelligent et durable. / Energy use in the urban environment is vital for the proper functioning of our society, and in particular, comfort heating –and cooling– is a central element of our energy system that is often taken for granted. Within this context, district energy systems and especially, district heating (DH) systems must evolve to adapt to the upcoming decades-long transition towards a sustainable energy system. This dissertation seeks to introduce, discuss, and asses from a techno-economic perspective, the concept of low-temperature based thermal micro-grids (subnets) as active distribution thermal networks. For this purpose, a mixed methodological approach based on analytical simulation for the assessment of alternatives is developed and discussed to evaluate a set of technologies. Key findings of this research include: an updated and improved model of aggregated heat loads; the identification of differences in load and temperature patterns for certain LT subnets; the analysis of benefits and drawbacks of active substations with distributed heat sources and/or storage; and the impact of the reduction of the primary network return temperature, which leads to lower generation & operating costs. These outcomes reveal that the integrated design and operation of the active thermal micro-grid have the potential to improve the performance of the entire system, to address the matter of providing comfort heating in an effective and cost-efficient manner. This work advances the current DH knowledge by identifying synergies and challenges that arise with these new developments, in order for DH to play a key role in the future smart and sustainable energy system.

Dans cette thèse, nous présentons le développement d'une méthode de nanoscopie optique superrésolue en trois dimensions pour résoudre des émetteurs quantiques uniques à température cryogénique. Cette méthode, appelée microscopie à saturation d'état excité (ESSat), est une technique d'imagerie confocale à balayage basée sur la saturation optique de la raie sans phonon de l'émetteur. Elle utilise un faisceau d’illumination structurée comprenant une zone d'intensité nulle au foyer de l'objectif de microscope, avec un gradient d'intensité important autour. En imageant des molécules fluorescentes aromatiques individuelles à 2 K, nous avons atteint une résolution de 28 nm dans la direction latérale et 22 nm dans la direction axiale, avec de faibles intensités laser d'environ dix kWcm-2, soit cinq ordres de grandeur inférieures à celles utilisées à température ambiante dans les méthodes de nanoscopie basées sur la déplétion par émission stimulée. Notre technique offre une opportunité unique de super-résoudre des molécules uniques séparées par des distances nanométriques et avec des résonances optiques qui se recouvrent. De plus, la méthode fournit une détermination directe de l'orientation des dipôles moléculaires à partir des images ESSat de fluorescence. La microscopie ESSat ouvre ainsi la voie à des études approfondies des interactions cohérentes dipôle-dipôle optiques entre émetteurs quantiques individuels, qui nécessitent des distances relatives nanométriques. En particulier, cette méthode permettra d'étudier les riches signatures spatiales et fréquentielles du système couplé et de manipuler leur degré d'intrication. / In this thesis, we present the development of a cryogenic super-resolution optical nanoscopy thatcan resolve molecules at nanometric distances, called the Excited State Saturation (ESSat)Microscopy.ESSat microscopy is a scanning confocal imaging technique based on the optical saturation of thezero phonon line of a single fluorescent molecule. It uses a patterned illumination beam thatcontains a ‘zero-intensity’ region at the focus of the microscope objective with a large intensitygradient around. We achieved a sub-10 nm resolution in the lateral direction and 22 nm resolutionin the axial direction with extremely low excitation intensities of few tens of kWcm-2. Comparedto other super-resolution imaging techniques, like STED, RESOLFT, etc., our technique offers aunique opportunity to super-resolve single molecules with overlapping optical resonances and thatare much closer than the diffraction limit. In addition, it is possible to determine the orientation ofmolecular dipoles from the fluorescent ESSat images. Since coherent dipole-dipole couplinginteractions between single quantum emitters have a very high coupling efficiency at short distancemuch smaller than the diffraction limit, it is important to resolve them well below it. ESSatmicroscopy thus paves a way to disclose the rich spatial and frequential signatures of the coupledsystem and to manipulate their degree of entanglement.

Les cMUT sont des microsystèmes principalement utilisés pour de l’imagerie médicale. Afin de développer de nouvelles architectures de sondes, intégrer l’électronique de commande devient impératif. Pour y parvenir, la température du procédé de réalisation ne doit pas excéder 400°C. Cela nécessite donc de revoir les procédés et matériaux utilisés. Pour répondre à cette problématique, nous avons utilisé une électrode originale en siliciure de nickel obtenu à 400°C, une couche sacrificielle en nickel et une membrane en nitrure de silicium déposée à 200°C. Des cMUT ont été fabriqués sur un substrat silicium. Ils présentent les caractéristiques souhaitées à savoir une forte fréquence de résonance (16,4MHz), une tension de collapse maitrisée (65V) et un coefficient de couplage électromécanique satisfaisant (0,6). De plus, le procédé développé peut être étendu à d’autres types de substrats. / CMUTs are innovating microsystems for ultrasonic medical imaging. To develop new array architectures, monolithic integration of integrated circuits is required. In this context, microsystems must be achieved using process temperature limited to 400°C. The main objective of this PhD thesis is the development of alternative processes and materials to replace usual ones done at high temperature. We have developed a nickel silicide bottom electrode at 400°C, a metallic sacrificial layer and a silicon nitride membrane deposited at 200°C. The devices, fabricated on silicon substrates, are functional with a high resonance frequency (16.4MHz), a mastered collapse voltage (65V) and an efficient electromechanical coupling coefficient (0.6). Moreover, this low temperature process was successfully applied on other substrates such as glass.

Cette thèse porte sur l’étude des microcentrales hydroélectriques à vis d’Archimède. Il s’agit dans ces travaux de proposer une solution alternative à l’hydroélectricité à petite échelle, en exploitant les ressources inutilisées telles que les petites rivières ou les cours d’eau. Ces microcentrales inversent le principe de fonctionnement de la pompe à vis d’Archimède. Elles exploitent la puissance hydraulique disponible dans les usines hydroélectriques de très basses chutes. A partir de l’état de l’art, un modèle numérique est établi pour estimer les rendements, la production d’énergie et la rentabilité pour un fonctionnement à vitesse variable des microcentrales hydroélectriques à vis d’Archimède. Les différents résultats théoriques et de simulation ont été validés expérimentalement sur le prototype de l’INSA de Strasbourg, développé dans le cadre de cette thèse. Enfin, des actions sont menées sur le prototype expérimental afin de maximiser le transfert d’énergie et de limiter les pertes. Pour finir, une stratégie MPPT (Maximum Power Point Tacking) très spécifique est développée et est actuellement en cours d’implémentation. / This work focuses on a small hydro plant which uses the Archimedes screw. This is an alternative solution to smallscale hydropower as it employs unused resources such as small rivers or streams. Archimedes screw plants reverse the pump use principle and employ the available stream power for energy production in very low head application. Based on the state-of-the-art, a numerical model is established to estimate efficiencies, energy production and profitability of variable speed operations for a small hydro plant using Archimedes screw. Several theoretical results and simulations are proposed. We validated them experimentally on the prototype of INSA Strasbourg, developed within the framework of this thesis. Finally, actions carried out on the experimental prototype led to maximizing the transfer of energy and limiting losses. Then a very specific MPPT (Maximum Power Point Tracking) control strategy is developed and is currently being implemented.

Depuis un demi-siècle, le développement de la traction électrique ferroviaire en courant monophasé en France s'est appuyé sur les progrès réalisés aussi bien au niveau des installations fixes de traction qu'au niveau du matériel roulant. Toutefois, au cours des deux dernières décennies, l'augmentation du trafic et l'introduction de locomotives avec des chaines de traction innovantes ont été à l'origine de phénomènes électriques qui se sont avérés néfastes pour l'exploitation du système. Les premiers phénomènes observés ont été à l'origine de dégâts matériels à bord de locomotives. Il s'agissait de surtensions résultant d'une interaction défavorable entre l'impédance interne de l'infrastructure et les harmoniques générés par les engins moteurs équipés de redresseurs à thyristors. Plus récemment, suite à l'introduction massive d'engins équipés de redresseurs à absorption sinusoïdale de courant, un phénomène de modulation très basse fréquence de la tension caténaire est apparu et a provoqué la mise hors tension des locomotives voire la disjonction de la sous station alimentant le secteur concerné. Ceci constitue aujourd'hui un obstacle majeur à l'utilisation généralisée de la nouvelle technologie à bord des engins. Ces perturbations affectent l'exploitation du système en entrainant généralement des retards voire des annulations de circulation. Elles peuvent aussi dégrader la qualité d'énergie du réseau d'électricité amont à un niveau tel que la sous-station d'alimentation doit être déconnectée. La direction de l'ingénierie de la SNCF a donc pris des dispositions pour comprendre puis éviter l'apparition des phénomènes observés. Une collaboration interne entre le centre d'ingénierie du matériel et la division des installations fixes de traction électrique ainsi qu'un partenariat avec le LAPLACE ont été mis en place. Le présent document est le fruit de cette collaboration. L'objectif de cette thèse est donc d'étudier et de modéliser les interactions entre les engins et les installations fixes de traction sur le réseau français 25kV/50Hz. Ce manuscrit comporte deux parties principales qui s'organisent ainsi : La première partie est consacrée à l'étude du phénomène de modulation très basse fréquence de la tension caténaire. Les modèles des deux principaux composants du système sont d'abord présentés. Les études ainsi menés permettent de comprendre l'origine du phénomène, puis ensuite de développer une méthode de caractérisation des engins permettant de retrouver les limites de stabilité dans les secteurs problématiques du réseau ferré. Ceci nous a conduit à proposer une représentation générale des locomotives modernes sous forme d'une matrice admittance qu'il est possible d'obtenir par une mesure directe sur des engins réels. La deuxième partie concerne l'étude des interactions harmoniques à l'origine de surtensions sur la caténaire. L'analyse systématique du phénomène est basée sur des outils de simulation de circuits électroniques de puissance utilisant une bibliothèque de modèles élémentaires. La première étape consiste à développer un modèle « moyenne fréquence » du réseau d'alimentation afin de mettre en évidence les fréquences de résonance de l'ensemble ligne/sous-station. La deuxième étape consiste à modéliser les locomotives afin de prendre en compte leur réponse harmonique. Au final, il devient possible de savoir si un engin donné va générer des déformations de la tension en vérifiant si l'une des composantes harmoniques du courant absorbé coïncide avec une des résonances caractéristique du circuit d'alimentation. Pour compléter cette deuxième partie, une modélisation plus fine, intégrant l'effet de peau et l'effet de proximité est abordée. Elle s'appuie sur la caractérisation expérimentale en moyenne fréquence d'un transformateur 50Hz. Ceci nous permet de vérifier l'influence de ces phénomènes sur le comportement fréquentiel du réseau d'alimentation. / For a half a century, the increasing development of AC electrical traction railway networks in France relied on the progress made in the infrastructure power supply an in the rolling stock. However, over the past two decades, increased traffic and the introduction of modern locomotives were the cause of electrical phenomena that have proven harmful to the operation of the railway network. The first events that occurred induced serious faults on board locomotives. It was overvoltages resulting from unfavourable interaction between the internal impedance of the infrastructure and the harmonics generated by the electrical vehicles using thyristor controlled rectifiers. More recently, with the massive introduction of active front-end locomotives, problems of low frequency oscillations and instability were observed causing power off locomotives or disjunction of the sector sub-station. The objective of this thesis is to study and model the interactions between locomotives and fixed installations for electric traction on the French rail network 25kV/50Hz. This script has two main parts, which organized as follows: The first part is devoted to the study of the phenomenon of very low frequency modulation of the catenary voltage. The models of the two main components of the system, namely the single-phase power and the active front-end locomotives are first presented. Studies conducted this way, help to understand the origin of the phenomenon and then to develop a method to characterize the vehicle to find the stability limits in problems sectors of the rail network. This led us to propose a general representation of modern locomotives as an admittance matrix that can be obtained by direct measurement on real machines. The second part is the study of harmonic interactions causing overvoltages on the catenary. Systematic analysis of the phenomenon is based on simulation tools of power electronics circuits using a collection of specific elementary models. The first step consists in developing a “medium frequency” model of the power network in order to highlight the resonance and anti-resonance frequencies of the line/sub-station set. The second step is to model locomotives to take into account their harmonic response. In the end, it becomes possible to know whether a particular machine will generate deformations of the catenary voltage, by checking if any of the harmonic components of the consumed current coincides with one of the characteristic resonances of the traction electric circuit. To complete the second part, a more detailed model is discussed incorporating physical phenomena that occur with an increasing frequency (skin effect in the insulted conductors or proximity effect between conductors).It is based on the experimental characterization on medium frequency of a 50Hz transformer. This allows us to check the influence of these phenomena on the frequency behaviour of the supply network.