Cette thèse est consacrée à des mesures de transport électronique dans des transistors mono-électroniques de type MOSFET silicium à base de nanofil.<br />L'îlot de blocage de Coulomb n'est pas formé par des constrictions ou des barrières d'oxyde mais par une modulation du dopage et une grille couvrant la partie centrale du fil. Ces dispositifs sont des transistors mono-électroniques très stables et bien contrôlés.<br />Quand il ne contient que peu d'électrons, l'îlot est dans un régime localisé où l'espacement entre résonances de Coulomb est très irrégulier. A partir de quelques dizaines d'électrons l'îlot devient diffusif. Dans ce cas les fluctuations de l'espacement entre résonances sont petites et correspondent à l'espacement entre niveaux à une particule.<br />Le blocage de Coulomb contrôlé permet d'analyser les barrières formées par les parties faiblement dopées du fil. A petite échelle, le remplissage de dopants individuels cause des anomalies dans le spectre de Coulomb qui permettent de remonter à la matrice de capacité, la position approximative, la dynamique et le spin des dopants. A grande échelle l'augmentation de la densité électronique dans les barrières avec la tension de grille entraîne une forte augmentation de la constante diélectrique dans les barrières. Nous observons un bon accord entre constante diélectrique et conductance des barrières via les lois d'échelle de la transition métal-isolant.

Dans une première partie, certaines caractéristiques de la propagation<br />d'un électron dans des systèmes désordonnés sont étudiées au moyen<br />d'un développement perturbatif utilisant la série de Watson.<br />L'utilisation de potentiels de taille finie répartis de façon<br />aléatoire pour modéliser le désordre nécessite l'introduction de<br />matrices de diffusion hors couche d'énergie, qui permettent ensuite de<br />calculer analytiquement chaque élément de la série de Watson. Des<br />corrections au libre parcours moyen élastique de Boltzmann, en<br />dimensions 2 et 3, sont obtenues à l'aide de la moyenne d'ensemble du<br />propagateur de l'électron. La taille du diffuseur y joue un rôle<br />important.<br /><br />La resommation exacte de la série de Watson sous forme matricielle<br />permet une étude numérique de la section efficace totale de diffusion<br />du système désordonné. Celle-ci montre un comportement inattendu lors<br />du passage du régime balistique au régime diffusif.<br /><br />La deuxième partie concerne le transport d'électrons en interaction<br />dans les systèmes désordonnés. Le désordre y est modélisé par un<br />champ d'impuretés statiques. L'utilisation d'outils de la théorie des<br />champs permet d'envisager une approche non perturbative de ces<br />systèmes désordonnés dans lesquels l'interaction entre électrons peut<br />être à l'origine d'une transition entre le régime métallique et le régime<br />isolant.<br /><br />Une nouvelle approche s'inspirant du groupe de renormalisation est<br />ensuite appliquée au calcul d'équations de flot décrivant l'évolution<br />des constantes de couplage d'un système d'électrons en interaction.<br />L'approximation à l'ordre d'une boucle permet de vérifier que ces<br />équations de flot conduisent aux résultats donnés par la théorie des<br />perturbations (RPA).

Two graphene layers placed in close proximity offer a unique system to investigate interacting electron physics as well as to test novel electronic device concepts. In this system, the interlayer spacing can be reduced to value much smaller than that achievable in semiconductor heterostructures, and the zero energy band-gap allows the realization of coupled hole-hole, electron-hole, and electron-electron two-dimensional systems in the same sample. Leveraging the fabrication technique and electron transport study in dual-gated graphene field-effect transistors, we realize independently contacted graphene double layers separated by an ultra-thin dielectric. We probe the resistance and density of each layer, and quantitatively explain their dependence on the backgate and interlayer bias. We experimentally measure the Coulomb drag between the two graphene layers for the first time, by flowing current in one layer and measuring the voltage drop in the opposite layer. The drag resistivity gauges the momentum transfer between the two layers, which, in turn, probes the interlayer electron-electron scattering rate. The temperature dependence of the Coulomb drag above temperatures of 50 K reveals that the ground state in each layer is a Fermi liquid. Below 50 K we observe mesoscopic fluctuations of the drag resistivity, as a result of the interplay between coherent intralayer transport and interlayer interaction. In addition, we develop a technique to directly measure the Fermi energy in an electron system as a function of carrier density using double layer structure. We demonstrate this method in the double layer graphene structure and probe the Fermi energy in graphene both at zero and in high magnetic fields. Last, we realize dual-gated bilayer graphene devices, where we investigate quantum Hall effects at zero energy as a function of transverse electric field and perpendicular magnetic field. Here we observe a development of v = 0 quantum Hall state at large electric fields and in high magnetic fields, which is explained by broken spin and valley spin symmetry in the zero energy Landau levels. / text

This thesis concerns modelling of Coulomb collisions in toroidal plasma with Monte Carlo operators, which is important for many applications such as heating, current drive and collisional transport in fusion plasmas. Collisions relax the distribution functions towards local isotropic ones and transfer power to the background species when they are perturbed e.g. by wave-particle interactions or injected beams. The evolution of the distribution function in phase space, due to the Coulomb scattering on background ions and electrons and the interaction with RF waves, can be obtained by solving a Fokker-Planck equation.The coupling between spatial and velocity coordinates in toroidal plasmas correlates the spatial diffusion with the pitch angle scattering by Coulomb collisions. In many applications the diffusion coefficients go to zero at the boundaries or in a part of the domain, which makes the SDE singular. To solve such SDEs or equivalent diffusion equations with Monte Carlo methods, we have proposed a new method, the hybrid method, as well as an adaptive method, which selects locally the faster method from the drift and diffusion coefficients. The proposed methods significantly reduce the computational efforts and improves the convergence. The radial diffusion changes rapidly when crossing the trapped-passing boundary creating a boundary layer. To solve this problem two methods are proposed. The first one is to use a non-standard drift term in the Monte Carlo equation. The second is to symmetrize the flux across the trapped passing boundary. Because of the coupling between the spatial and velocity coordinates drift terms associated with radial gradients in density, temperature and fraction of the trapped particles appear. In addition an extra drift term has been included to relax the density profile to a prescribed one. A simplified RF-operator in combination with the collision operator has been used to study the relaxation of a heated distribution function. Due to RF-heating the density of thermal ions is reduced by the formation of a high-energy tail in the distribution function. The Coulomb collisions tries to restore the density profile and thus generates an inward diffusion of thermal ions that results in a peaking of the total density profile of resonant ions. / <p>QC 20130415</p>

La frustration - c'est-à-dire la présence d'interactions de nature compétitive - donne lieu à des effets de grande complexité en physique. La glace - aussi bien la phase bien connue de l'eau, que ses analogues magnétiques, dites " glaces de spin " - en offre un exemple remarquable. Pour des interactions à courte portée et des degrés de liberté classiques, son état fondamental est infiniment dégénéré, et comporte en outre des corrélations à longue portée induites par une contrainte locale, caractéristiques de la phase dite de Coulomb. Ses excitations élémentaires correspondent au retournement d'un dipôle qui se " fractionnalise " en deux monopôles. Dans cette thèse nous nous intéressons à la stabilité de cette phase de Coulomb dans la glace bidimensionnelle - réalisée aussi bien comme glace de protons dans des composés organiques, que comme glace de spin dans des systèmes nanomagnétiques. Dans le cas classique, les interactions dipolaires - présentes dans les systèmes expérimentaux - déstabilisent la phase de Coulomb dans son état fondamental. Cependant, une déformation de la simple géométrie planaire permet de récupérer cette phase dans un régime où différents états ordonnés entrent en compétition. Dans le cas quantique, les fluctuations dues à un champ magnétique transverse induisent une brisure de symétrie dans l'état fondamental qui, à basse température, cède la place à une phase de Coulomb quantique, réalisant un liquide de spin quantique avec excitations fractionnalisées. Nos résultats sont obtenus à l'aide de méthodes analytiques (analyse harmonique classique et quantique et théorie de perturbations) aussi bien que numériques (Monte Carlo) fondées sur des algorithmes originaux.

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Dans ce travail, nous nous sommes intéressés d'une part à la théorie du chaos multiplicatif Gaussien introduite par Kahane en 1985 et d'autre part à la théorie des matrices aléatoires dont les pionniers sont Wigner, Wishart et Dyson. La première partie de ce manuscrit contient une brève introduction à ces deux théories ainsi que les contributions personnelles de ce manuscrit expliquées rapidement. Les parties suivantes contiennent les textes des articles publiés [1], [2], [3], [4], [5] et pré-publiés [6], [7], [8] sur ces résultats dans lesquels le lecteur pourra trouver des développements plus détaillés

Les nanofils d'or ultrafins sont des objets fascinants présentant une morphologie quasi 1D, leur diamètre n'excédant par 2 nm pour une longueur micrométrique. Les quelques 30 atomes qui composent la section de ses fils sont principalement des atomes de surface, permettant d'envisager des applications de type capteurs. De plus, l'anisotropie de forme unique pourrait permettre un confinement électronique unidimensionnel, menant à de nouvelles propriétés physiques. Nous avons réalisé une étude fondamentale de la synthèse et réaliser une première étude de transport sur une assemblée de nanofils.La première partie du manuscrit, divisée en quatre chapitres, consiste en l'étude du mécanisme de croissance de ces nanofils ultrafins. Suite à une analyse détaillée des modèles proposés, nous introduisons la technique de diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) utilisée pour nos études mécanistiques. Le chapitre 3 est consacré à l'étude de la synthèse de nanofils en milieu confiné. Contrairement aux postulats précédents, un suivi cinétique in-situ par SAXS nous a permis de montrer que la phase lamellaire n'intervenait pas dans la croissance des objets, voir même qu'elle était détrimentaire à leur formation. Le dernier chapitre présente la synthèse en milieu isotrope. Un mécanisme de croissance efficace où les sphères jouent le rôle de germe est avancé. L'auto-organisation des fils en solution suivant une phase hexagonale appuie l'hypothèse d'une stabilisation des fils par une double couche d'oleylamine et de chlorure d'ammonium. Un mécanisme de croissance analogue aux mécanismes proposés pour les bâtonnets d'or dans l'eau est donc proposé.La deuxième partie du manuscrit, divisée en trois chapitres, consiste en une caractérisation des propriétés de transport électronique dans ces nanofils d'or ultrafins. Nous dressons, dans un premier temps, un bilan des différents régimes de transport observés au sein de nano-objets de basse dimensionnalité. Suite aux étapes indispensables de dépôt et de connexion, le troisième chapitre présente les premières mesures de transport effectuées sur des assemblées de nanofils d'or faiblement couplées. Nous mettons ainsi en évidence, grâce à une étude sur une large gamme de températures et de tensions de polarisation, un transport de charge coopératif dans le cadre d'un régime de blocage de Coulomb.

The present work deals with the numerical solution of dynamic contact and fracture problems. The contact problem is a Signorini problem with or without Coulomb friction. The fracture problem uses a cohesive zone model with a prescribed crack path. These problems are characterized by a non-regular boundary condition and can be formulated with evolutionary variational inequations or differential inclusions. For the numerical solution, we combine, as usual in solid dynamics, a finite element discretization in space and time-integration schemes. For the contact problem, we begin by comparing the main methods proposed in the literature. We then focus on the so-called modified mass method recently introduced by H. Khenous, P. Laborde et Y. Renard, for which we propose a semi-explicit variant. In addition, we prove a convergence result of the space semi-discrete solutions to a continuous solution in the frictionless viscoelastic case. We also analyze the space semi-discrete and fully discrete problems in the friction Coulomb case. For the dynamic fracture problem, using a fully explicit scheme is impossible or not robust enough. Therefore, we propose time-integration schemes where the boundary condition is treated in an implicit way. Finally, we present and analyze augmented Lagrangian methods for static fracture problems

In this study, an efficient algorithm has been developed for the dynamic stability analysis of self-reconfigurable, modular robots. Such an algorithm is essential for the motion planning of self-reconfigurable robotic systems. The building block of the algorithm is the determination of the stability of a rigid body in contact with the ground when there exists Coulomb friction between the two bodies. This problem is linearized by approximating the friction cone with a pyramid and then solved, efficiently, using linear programming. The effects of changing the number of faces of the pyramid and the number of contact points are investigated. A novel definition of stability, called percentage stability, is introduced to counteract the adverse effects of the static indeterminacy problem between two contacting bodies. The algorithm developed for the dynamic stability analysis, is illustrated via various case studies using the recently introduced self-reconfigurable robotic system, called I-Cubes.