Ce document résume mes travaux de recherche depuis mon recrutement en tant que maître de conférences à l'Institut de Physique de Rennes. Mes activités de recherche durant cette période se divisent en trois thèmes principaux: la propagation des ondes dans les milieux hétérogènes, les propriétés mécaniques des milieux granulaires et la modélisation de systèmes non linéaires. Le document détaille plus particulièrement mes contributions aux deux premiers champs.

La structure des nucléons et des noyaux a été intensivement étudiée au cours duvingtième siècle au travers de la diffusion élastique d'électrons (mesure des facteurs deforme électromagnétique) et de la diffusion profondément inélastique (mesure des distributionsde partons). Le formalisme des distributions généralisées de partons (GPD)a permis d'unifier les facteurs de forme et les distributions de partons. Ce lien procureune source d'information unique sur la dynamique des partons, telle la distribution desforces nucléaires et de moment orbital au sein des hadrons. L'accès expérimental le plussimple aux GPD est la diffusion Compton profondément virtuelle (DVCS), correspondantà l'électroproduction dure d'un photon réel. Tandis que plusieurs expériences sesont déjà focalisées sur la réaction DVCS sur le nucléon, les expériences sur une ciblenucléaire s'avèrent plus rares. Cette thèse se concentre sur l'étude du canal DVCS cohérentsur l'hélium 4, avec pour objectif l'extraction des parties réelle et imaginaire dufacteur de forme Compton via l'asymétrie de spin du faisceau.

Ce travail de thèse porte sur l'identification des désintégrations sans charme de mésons beaux neutres en trois corps dont un π0 (B0 d,s → h+h′−π0) en analysant l'échantillon de données de 1.0 fb−1 collecté en 2011 par l'expérience LHCb au LHC. Ces modes sont sensibles aux paramètres de la matrice CKM et permettent de tester certaines prédictions du Modèle Standard liées à la violation de CP. Plusieurs d'entre eux, tels que B0 s → K−π+π0 et B0 s → K+K−π0, n'ont pas été observés précédemment. Il s'agit de la première analyse avec des π0 énergétiques dans LHCb. Pour évaluer les performances du détecteur relatives au π0, des désintégrations D∗+ → D0(→ K−π+π0)π+ ont été sélectionnées. Un échantillon de pions neutres relativement pur et de grande statistique a ainsi pu être extrait. Il est utilisé pour étudier leur étalonnage en énergie ainsi que l'efficacité de l'outil de séparation π0/γ de l'expérience. Les désintégrations radiatives constituent en effet le bruit de fond le plus dangereux pour l'étude des modes B0 d,s → h+h′−π0. Pour sélectionner les événements B0 d,s → h+h′−π0, un algorithme dédié a été mis en place au niveau du système de déclenchement. Il complète les sélections en ligne standards et permet d'augmenter significativement l'efficacité. Sur les événements enregistrés, les bruits de fond évidents, issus principalement de désintégrations de mésons charmés, sont rejetés en appliquant des critères simples. L'échantillon est alors purifié davantage en utilisant une analyse multivariée. Enfin, les informations des détecteurs Cherenkov permettent de séparer les états finals π+π−π0, K±π∓π0 et K+K−π0. Un ajustement simultané des spectres de masse reconstruite du méson beau dans les trois sous-échantillons est utilisé pour extraire les nombres d'événements de signal. Il tient compte des différents bruits de fond restants ainsi que des migrations du signal d'un sous-échantillon à l'autre. Les contributions des modes B0 → π+π−π0, B0 → K+π−π0 et B0 s → K+K−π0 sont clairement établies. Il s'agit de la première observation du mode de désintégration B0 s → K+K−π0.

L'objectif de cette thèse est de comprendre (1) si l'exhumation des roches mantelliques aux dorsales océaniques est compatible avec l'enregistrement des inversions de polarité du champ magnétique terrestre, (2) quels sont les processus associés aux anomalies magnétiques observées à l'aplomb des transitions océan-continent et (3) quelles sont les conséquences de ces processus sur les mécanismes de l'océanisation. Afin de travailler avec des données de résolution maximum, une méthode de calibration et d'interprétation des données magnétiques acquises proches du fond est développée dans le premier chapitre. Dans le deuxième chapitre, cette méthode est appliquée aux données magnétiques acquises à l'aplomb des domaines de manteau exhumé de la dorsale Sud-Ouest Indienne (SWIR). Il est ensuite montré que l'exhumation des roches mantelliques est associée à un signal magnétique de faible amplitude et de faible continuité spatiale rendant impossible l'identification des anomalies magnétiques d'accrétion océanique. De fait, il est proposé que contrairement aux basaltes, les roches mantelliques exhumées de la SWIR ne portent pas une aimantation rémanente suffisamment stable pour fossiliser la direction du champ magnétique terrestre. Dans le dernier chapitre, il est démontré que l'anomalie " J ", antérieurement interprétée comme la première isochrone associée à la partie distale des marges Ibérie/Terre-Neuve, est en fait identifiée à l'aplomb d'une structure crustale particulière caractérisée par un haut topographique et un épaississement crustal. Par conséquent, il est proposé qu'un évènement magmatique majeur est à l'origine de la création de cette structure crustale et que cet événement est le déclencheur de la mise en place de la première dorsale océanique.

Plus de vingt ans après la découverte de la supraconductivité à haute température critique, le mécanisme physique sous-jacente n'est pas encore bien cerné. En 2008, la découverte d'une nouvelle famille de supraconducteurs à haute température critique, les supraconducteurs à base de fer, a donné l'espoir de trouver une compréhension plus profonde des mécanismes de ce type de supraconductivité. Synthétiser des l'échantillons de grande qualité, la caractérisation des propriétés supraconductrices, l'étude des symétrices du gap et du paramètre d'ordre sont des étapes essentielles pour révéler le mécanisme. La connaissance précise du mécanisme permettra de profiter pleinement des propriétés remarquables de ces matériaux dans leurs applications industrielles si prometteuses. La thèse décrit d'abord la croissance de monocristaux de Ba$_{1-x}$K$_x$Fe$_2$As$_2$ et l'étude de leurs propriétés supraconductrices, menant vers la proposition d'une structure de gap du supraconducteur et d'un paramètre d'ordre pour les supraconducteurs à base de fer Ba-122 à partir de mesures de résistivité, de sondes à effect Hall, de spectroscopie d'Andreev en mode point-contact et de l'imagerie magnétique par la microscopie à nano-squid.Dans le chapitre 1, les événements historiques les plus marquants de la supraconductivité sont rappelés, les propriétés essentielles des supraconducteurs et le dévelopment des théories de la supraconductivité sont esquissés avant de présenter brièvement la découverte des supraconducteurs à base de fer et de donner un aperçu des questions actuelles de recherche dans ce domaine.Dans le chapitre 2, la procédure de croissance de monocristaux de Ba$_{1-x}$K$_x$Fe$_2$As$_2$ par la méthode de "self-flux", leur caractérisation par diffraction et par l'analyse de dispersion d'énergie des rayons X et la sensibilité des mesures de résistivité et de susceptibilité AC sont décrites. Puis nous présentons quelques résultats des mesures de la résistivité dépendante de la température de monocristaux du composé Ba$_{1-x}$K$_x$Fe$_2$As$_2$ (0,23 $\leq x \leq$ 0,4) sous champs magnétiques allant jusqu'à 9 T et dépendante de l'angle.Dans le chapitre 3, nous exposons quelques points essentiels du système de mesure à base de sonde de Hall que nous avons construit. Ensuite, nous présentons des mesures d'aimantation locale et globale sur des polycristaux de SmFeAsO$_{0.9}$F$_{0.1}$ synthétisés à haute pression, et de monocristaux de Ba$_{0.6}$K$_{0.4}$Fe$_2$As$_2$ effectuées par sonde de Hall et VSM.Dans le chapitre 4, nous donnons une brève introduction à la spectroscopie d'Andreev en mode point-contact, puis nous appliquons cette technique à des monocristaux de Ba$_{0.6}$K$_{0.4}$Fe$_2$As$_2$ et à une série de monocristaux de BaFe$_{2-x}$Ni$_x$As$_2$ couvrant une large gamme de dopage.Dans le chapitre 5, le développement d'un microscope de force à nano-SQUID et les mesures effectuées sur un film Rhénium d'épaisseur de 80 nm sont présentés. Le microscope peut acquérir des images topographiques et magnétiques simultanément. La plage de balayage maximale à 0.8 K est de \unit{70} {\micro\meter} $\times$ \unit{85}{\micro\meter} et sa résolution magnétique est d'environ $1,5 \times10^{-4}\Phi_0/\sqrt{\textrm{Hz}}$. Dans le chapitre 6, nous présentons quelques résultats des mesures de $\lambda$ par imagerie par microscopie de force à nano-squid sur des monocristaux de Ba(Fe$_{1-x}$Ni$_x$)$_2$As$_2$, couvrant tout le diagramme de phase. Sur les m\^{e}mes cristaux ont été effectuées des mesures du premier champ critique, de la variation de fréquence d'un oscillateur à diode tunnel et de la capacité calorifique.Enfin, au chapitre 7, un résumé détaillé et critique est présenté.

Les nano-aimants se situent à la limite entre le complexe moléculaire et l'état massif. D'un point de vue fondamental, les effets dus à la taille réduite du système et en particulier les effets de surface sont susceptibles de faire apparaitre de nouvelles propriétés. Ces propriétés peuvent être à l'origine de nouvelles applications dans des domaines comme le stockage d'information magnétique, la catalyse, la biotechnologie, le diagnostic médical ou l'énergie. Dans ce travail, des nanoparticules de 1,5 à 5 nm de diamètre ont été synthétisés par low energy cluster beam deposition (LECBD) puis encapsulées dans différentes matrices. Dans un premier temps, des systèmes modèles à base de nanoparticules de cobalt fortement diluées dans différentes matrices ont été synthétisés dans l'optique de remonter le plus précisément aux propriétés intrinsèques des nano-aimants. La suite de ce travail a consisté à augmenter la concentration en nanoparticules dans ces échantillons afin de caractériser l'influence des interactions sur le comportement magnétique macroscopique des particules. Enfin, après l'élaboration d'outils permettant de déterminer précisément les propriétés de systèmes modèles, ceux-ci ont été appliqués à des systèmes bimétalliques à fort intérêts théorique et applicatif (FeRh et FeAu). Nous avons montré que, après recuit sous ultra-vide, les nanoparticules d'alliage FeRh en matrice de carbone présentent une transition de phase A1 vers B2 sans trace de pollution ni de coalescence. Cette transition a été mise en évidence structurellement par microscopie électronique à transmission haute résolution et magnétiquement par magnétométrie à SQUID et dichroïsme magnétique de rayons X.

Cette étude expérimentale est consacrée à la structure cristalline et aux propriétés magnétiques des phases orthorhombiques ANb2O6 (A = métaux magnétiques) qui ont retenues notre attention en tant que système Ising modèle quasi 1D. Ce comportement magnétique original de basse dimension résulte à la fois de la force des interactions magnétiques le long des chaînes d'atomes magnétiques quasi-unidimensionnelles, et à la faiblesse des interactions entre les chaînes qui sont de nature antiferromagnétique. Lorsque ces composés sont ordonnés l'ensemble de ces interactions inter et intra chaîne conduit à un ordre antiferromagnétique. Notre investigation s'appuie sur une caractérisation systématique de la série de composés AxA'1-xNb2O6 (A et A' = Ni, Fe et Co), par des mesures variées et complémentaires, notamment: diffraction des rayons X à température ambiante, diffraction de neutrons au dessus et en dessous de la température d'ordre magnétique, mesures magnétiques : évolution thermique de courbes d'aimantation isochamp et mesures d'aimantation isotherme. De plus, des mesures de la chaleur spécifique et de spectroscopie Mössbauer ont été réalisées sur certains échantillons sélectionnés. Nous avons mis à jour, selon la concentration, des comportement très différents dans les systèmes pseudo binaires Fe-Co, Ni-Fe ou Co-Ni qui peuvent soit présenter un état ordonné soit conserver un état paramagnétique jusqu'à de très basses températures. Nos mesures démontrent que la température d'ordre magnétique et les vecteurs de propagations diffèrent sensiblement selon la composition car ces systèmes sont caractérisés par une compétition entre les interactions magnétiques mises en jeu dans un réseau triangulaire interchaines. Cette étude montre que le désordre cationique Fe/Co induit une réduction substantielle des interactions tant inter que intra chaînes, ce qui traduit la tendance à défavoriser l'établissement d'un ordre magnétique à longue portée. De manière similaire, le système NixFe1-xNb2O6 ne présente pas d'ordre magnétique pour x=0,2 et ceci jusqu'à 400 mK au moins.

Dans l'analyse des émetteurs alpha et beta dans l'eau par scintillation liquide, la problématique de la discrimination des rayonnements se pose afin d'atteindre les limites de détection souhaitées. Dans le cas rare ou les énergies permettent une discrimination, nous avons mis en place un protocole d'analyse simultanée tritium/alpha sur des frottis. A l'aide d'une méthode a trois fenêtres il permet d'atteindre les limites de détection de 0,4 Bq/cm2 en tritium et de 0,04 Bq/cm2 en alpha.De façon générale, aucune distinction entre les spectres n'est possible et un ajustement du fond sous le pic alpha ne permet pas d'atteindre les limites de détection définies par les normes. Cependant le processus physique de scintillation permet une distinction des rayonnements, phénomène utilise par certains appareils, ceux-ci proposent donc le réglage par l'utilisateur d'un paramètre discriminant seuil. Nous avons développé un protocole de réglage permettant de reconstituer les spectres alpha et beta discrimines au mieux, rendant accessible une limite de détection de 0,03 Bq/L en alpha.Nous avons par ailleurs développé une approche innovante utilisant un détecteur en coïncidence dont les photomultiplicateurs sont connectes directement a une carte numérique d'acquisition. Chaque impulsion numérisée est ensuite traitée selon plusieurs critères simultanément, à la place des deux habituels. Aucun ne permet a lui seul d'obtenir une discrimination selon un seuil unique, mais la distribution des évènements dans chaque spectre est différente : un fenêtrage des évènements alpha permet d'atteindre une limite de détection de 0,2 Bq/L, quatre fois moindre que par une discrimination en énergie seule.

Les procédés de dépôts en couche épaisses, que l'on retrouve dans la mise en oeuvre des systèmes de communications et de détections, sont à l'origine de l'intérêt croissant pour les matériaux magnétiques composites. Ces matériaux sont obtenus par mélange, en proportions variables, d'une ou plusieurs poudres magnétiques choisies en fonction de leurs propriétés originales et de poudres non magnétiques. Ce travail est une étude fondamentale des propriétés magnétiques des matériaux composites, et a pour but la modélisation de leur susceptibilité magnétique en champ faible. Le modèle que nous proposons pour décrire les propriétés magnétiques de ces matériaux composites est issu, comme la majorité des lois de mélanges, d'une théorie de champ moyen. L'intérêt de ce modèle est de présenter une forme analytique compacte qui ne fait intervenir qu'un nombre restreint de paramètres dont le sens physique a été défini dans cette étude. Le premier paramètre est la susceptibilité intrinsèque Xi, liée aux propriétés magnétiques des constituants du mélange. L'étude expérimentale, menée sur des composites à base de poudre de ferrites, a permis de montrer que l'aimantation de ces matériaux composites se fait principalement par rotation des moments ce qui nous a conduit à identifier Xi à la susceptibilité rotationnelle de la poudre magnétique utilisée. Le second paramètre intervenant dans notre modèle est le coefficient effectif de forme N, lié au caractère dispersé de la matière. Il tient compte de manière globale de l'ensemble des interactions qui dépendent à la fois de la forme des particules et de leurs arrangements sous forme d'agrégats. L'aptitude du modèle à prédire les comportements de la susceptibilité magnétique des matériaux composites a été vérifiée de façon expérimentale du domaine statique jusqu'aux hyperfréquences.

L'objectif de ce travail porte sur la généralisation de la modélisation de la gravure du silicium dans les plasmas de fluor ou de chlore à celle de la gravure des éléments de la colonne IV et des composés III-V de structure cristalline de type diamant ou zinc-blende dans les plasmas d'halogènes, i.e. fluor, chlore, brome et iode. Dans ce contexte, les effets stériques et de diffusion en volume et/ou en surface en constituent les problématiques principales. Cette généralisation s'appuie sur le modèle de gravure de Petit et Pelletier qui, par rapport aux modèles antérieurs, prend en compte un certain nombre d'hypothèses distinctes ou additionnelles telles que les interactions répulsives entre adatomes d'halogènes proches voisins, les mécanismes de Langmuir-Hinshelwood pour la formation des produits de réaction, la nature mono-couche ou multi-couches de l'adsorption, et la diffusion des adatomes en surface. Les effets stériques relatifs à la diffusion des atomes d'halogènes à travers les surfaces (100) des structures cristallines des éléments de la colonne IV et des composés III-V définissent une première loi de similitude entre la maille du réseau cristallin et le rayon ionique de Shannon des atomes d'halogènes concernant leurs conditions de diffusion en volume. Cette loi se traduit par un diagramme prévisionnel, commun aux éléments de la colonne IV et aux composés III-V, délimitant les systèmes de gravure de types mono-couche et multi-couches. Les effets stériques relatifs aux mécanismes réactionnels de gravure sur les surfaces (100) aboutissent à des secondes lois de similitude entre la maille du réseau et le rayon covalent des adatomes d'halogènes caractérisant la nature de la gravure : gravure isotrope, gravure anisotrope, ou absence de gravure. Ces lois de similitude, distinctes pour les éléments de la colonne IV et les composés III-V (stœchiométrie différente des produits de réaction), se traduisent par deux diagrammes prévisionnels délimitant les différents domaines de gravure. Les diagrammes prévisionnels pour les éléments de la colonne IV ont pu être validés, d'une part, à partir des résultats expérimentaux antérieurs, et, d'autre part, en l'absence de données, à partir d'études expérimentales complémentaires : gravure de Si et Ge en plasma de brome et d'iode, gravure de Sn en plasma d'iode.