Ce travail expérimental est une contribution à l'étude du fractionnement <br />et évaporation <br />d'un liquide par un gaz en géométrie de jets turbulents coaxiaux. Ce <br />phénomène est notamment rencontré dans les moteurs cryotechniques de <br />fusée. L'utilisation de l'hélium liquide et gazeux permet de réaliser des <br />écoulements à grands nombres de Reynolds $R_{e} \approx 10^5$ et <br />grands nombres de Weber $W_{e} \approx 10^3$. De plus la faible chaleur latente <br />de l'hélium liquide (20~J/g) permet de faire varier l'importance du <br />phénomène de vaporisation dans de grandes proportions. <br /><br />Une première étude à l'aide de micro thermomètres a isolé les rôles <br />respectifs du fractionnement et de l'évaporation du liquide par le <br />cocourant gazeux. Pour des jets à fort nombre de Weber, nous avons <br />montré que le fractionnement du liquide est très efficace et fournit <br />l'accroissement de surface d'échange nécessaire à l'évaporation rapide.<br /><br />Une seconde étude par diffusion de la lumière dans l'aérosol d'hélium <br />a permi de quantifier la disparition d'interface liquide/gaz par <br />vaporisation. Dans nos conditions expérimentales ($W_{e} \approx <br />10^3$), nous avons montré que la quantité d'interface au delà du cône <br />potentiel du jet liquide décroît exponentiellement avec l'excès <br />d'enthalpie transporté par le gaz.<br /><br />L'utilisation de fluides cryogéniques pour des expériences <br />d'hydrodymique a donné lieu à un important dévellopement instrumental <br />qui est présenté dans ce mémoire.

Le sujet de ce travail est la conception d'une caméra bolométrique à bas niveau de bruit pouvant contenir jusqu'à un millier de pixels. Ce type d'architecture est proposé pour la réalisation d'une nouvelle génération d'instruments dédiés à l'astronomie millimétrique. La caméra offrira d'intéressantes perspectives pour la cosmologie et la physique galactique. Nous avons défini les spécifications de la chaîne optique et des détecteurs, pour une utilisation optimale du radiotélescope de 30m de l'IRAM. Nous avons ouvert la voie à la réalisation de matrices de bolomètres par des procédés de microfabrication. Une partie importante du travail est consacrée à la caractérisation électrique de couches minces thermométriques de NbSi à très basse température (0,1 K). Nous avons étudié le problème du multiplexage des signaux, afin de mesurer un grand nombre de détecteurs en évitant les inconvénients liés au câblage. Nous proposons une électronique de proximité fonctionnant à très basse température.

Mon travail de thèse a porté sur l'étude du confi nement des photons et des électrons dans plusieurs systèmes. Tout d'abord, j'ai étudié un nouveau type de nanocristaux semiconducteurs pour obtenir -à température ambiante- une source e fficace de photons uniques polarisés. Ensuite, j'ai développé une technique d'excitation à deux photons pour des polaritons de microcavités semiconductrices. Ces nanocristaux semiconducteurs présentent la particularité d'avoir une coquille semiconductrice allongée en sulfure de cadmium (CdS) autour d'un coeur sphérique en séléniure de cadmium (CdSe). Depuis plus de dix ans, les nanocristaux semiconducteurs sont connus pour être des émetteurs efi caces de photons uniques à température ambiante. Leur photoluminescence sou rait de deux défauts : le clignotement, qui est une alternance entre des états allumés et éteints, ainsi qu'une très faible polarisation de leur émission. Lors de mon étude, en agissant sur les paramètres géométriques des nanocristaux (diamètre du c÷ur et longueur de la coquille) j'ai obtenu l'émission de photons uniques fortement polarisés (taux de polarisation linéaire supérieur à 80%) et montré le lien entre la polarisation et le rapport d'aspect des nanocristaux. De plus, en ajustant fi nement l'épaisseur de la coquille, j'ai démontré la possibilité de supprimer drastiquement le clignotement, tout en gardant une source de photons uniques de très haute qualité (g(2) < 0:2). Dans la deuxième partie de mon travail de thèse, je me suis intéressé au couplage fort lumière-matière dans des microcavités et micropiliers semiconducteurs. J'ai développé et caractérisé un nouveau type d'excitation pour les polaritons basé sur une absorption à deux photons. Dans le cas des micropiliers, où les polaritons sont con nés dans un système 0D, nous avons démontré un e et laser sous pompage à deux photons. La relaxation du système et les interactions entre polaritons sont comparées sous différentes géométries d'excitation.

Ce mémoire analyse le phénomène de convection turbulente dans diverses cellules de Rayleigh-Bénard remplies d'hélium gazeux et liquide. Une des spécificités de cette étude est sa mise en oeuvre en environnement cryogénique, afin de bénéficier de conditions expérimentales optimales, tant en terme de contrôle thermique qu'en terme de plage de variation des paramètres de contrôle : les Nombres de Prandtl (Pr) et de Rayleigh. Ce dernier est en particulier exploré sur plus de 11 décades. Trois contributions principales se dégagent de cette étude. Tout d'abord, la mise en évidence d'un effet de conduction déterminant dû à la paroi latérale. Négligé dans les travaux antérieurs, cet effet est étudié expérimentalement puis modélisé. Il permet de lever certaines incohérences apparues dans des publications de références. En outre, le ré-examen de publications antérieures conforte l'idée que le Nombre de Nusselt (Nu) dépend du Nombre de Rayleigh suivant une loi de puissance d'exposant supérieur à 0,3, plutôt que 2/7 par exemple. La deuxième contribution porte sur l'influence du Nombre de Prandtl, analysée sur une décade et demie (0,7

La microscopie de grille à balayage (SGM pour Scanning GateMicroscopy), développée à la fin des années 1990, est devenue un outilpuissant pour étudier les propriétés électroniques locales dans lesnano-dispositifs semi-conducteurs. La SGM est basée sur la techniqueAFM, mais la pointe métallique est utilisée comme une grille mobilecouplée capacitivement au dispositif, et les propriétés de transportélectronique sont étudiées sous l'influence de cette grille,fournissant des informations spatiales à haute résolution. Cette thèsedécrit d'abord le remplacement de la détection optique de notresystème AFM par une détection piézo-électrique utilisant un diapason àquartz, puis les résultats de mesures SGM sur divers nano-dispositifs,qui sont tous fabriqués à partir d'hétérostructures InGaAs / InAlAscontenant un gaz d'électrons bi-dimensionnel (2DEG) de grande mobilitésitué à quelques dizaines de nanomètres sous la surface. Sur unesimple constriction, nous étudions l'interaction pointe-échantillonavec deux approches: la force électrostatique et l'effet capacitif.Sur une boite quantique, nous étudions les phénomènes de blocage deCoulomb lorsque la pointe est utilisée comme une grille pour modulerla charge à l'intérieur de la boite. Dans un travail sur le paradoxede Braess, avec l'aide de simulations numériques, nous découvrons uneffet paradoxal en modulant la largeur du canal central dans undispositif mésoscopique en forme de double anneau, en analogie avec leparadoxe qui se produit dans un réseau classique. Par une étudedétaillée de l'évolution de la conductance, nous découvrons enfinplusieurs pièges de charge dans les images SGM, et proposons un modèlepour interpréter le changement de conductance en présence de pièges decharge. Nous développons alors une méthode pour imager directement lespièges de charge par des mesures de transconductance avec unemodulation de la tension sur la pointe.

Aviation industry is continuously growing especially for very long distance flights due to the globalisation of local economies around the world and the explosive economic growth in Asia. Reducing the time of intercontinental flights from 16-20 hours to 4 hours or less would therefore make the, already booming, ultra-long distance aviation sector even more attractive. To accomplish this drastic travel time reduction for civil transport, hypersonic cruise aircraft are considered as a potential cost-effective solution. Such vehicles should also be fuelled by liquid hydrogen, which is identified as the only viable propellant to achieve antipodal hypersonic flight with low environmental impact. Despite considerable research on hypersonic aircraft and hydrogen fuel, several major challenges should still be addressed before such airliner becomes reality. The current thesis is therefore motivated by the potential benefit of hydrogen-fuelled hypersonic cruise vehicles associated with their limited state-of-the-art.Hypersonic cruise aircraft require innovative structural configurations and thermal management solutions due to the extremely harsh flight environment, while the uncommon physical properties of liquid hydrogen, combined with high and long-term heat fluxes, introduce complex design and technological storage issues. Achieving hypersonic cruise vehicles is also complicated by the multidisciplinary nature of their design. In the scope of the present research, appropriate methodologies are developed to assess, design and optimize the thermo-structural model and the cryogenic fuel tanks of long-range hydrogen-fuelled hypersonic civil aircraft. Two notional vehicles, cruising at Mach 5 and Mach 8, are then investigated with the implemented methodologies. The design analysis of light yet highly insulated liquid hydrogen tanks for hypersonic cruise vehicles indicates an optimal gravimetric efficiency of 70-75% depending on insulation system, tank wall material, tank diameter, and flight profile. A combination of foam and load-bearing aerogel blanket leads to the lightest cryogenic tank for both the Mach 5 and the Mach 8 aircraft. If the aerogel blanket cannot be strengthened sufficiently so that it can bear the full load, then a combination of foam and fibrous insulation materials gives the best solution for both vehicles. The aero-thermal and structural design analysis of the Mach 5 cruiser shows that the lightest hot-structure is a titanium alloy construction made of honeycomb sandwich panels. This concept leads to a wing-body weight of 143.9 t, of which 36% accounts for the wing, 32% for the fuselage, and 32% for the cryogenic tanks. As expected, hypersonic thermal loads lead to important weight penalties (of more than 35%). The design of the insulated cold structure, however, demonstrates that the long-term high-speed flight of the airliner requires a substantial thermal protection system, such that the best configuration (obtained by load-bearing aerogel blanket) leads to a titanium cold design of only 4% lighter than the hot structure. Using aluminium 7075 rather than titanium offers a further weight saving of about 2%, resulting in a 135.4 t wing-body weight (with a contribution of 23%, 25%, 18% and 34% from the TPS, the wing, the fuselage, and the cryogenic tanks respectively). Given the design hypotheses, the difference in weight is not significant enough to make a decisive choice between hot and cold concepts. This requires the current methodologies to be further elaborated by relaxing the simplifications. Investigation of the thermal protection must be extended from one single point to different regions of the vehicle, and the TPS thickness and weight should be considered in the structural sizing of the cold design. More generally, the design process should be matured by including additional (static, dynamic and transient) loads, special structural concepts, multi-material configurations and other parameters such as cost and safety aspects. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / This thesis was conducted in co-tutelle between University of Sydney and Université Libre de Bruxelles.Professor Dries Verstraete was my supervisor at the University of Sydney (so as a member of SydneyUni), but is automatically registered here as a member of ULB because he worked at ULB almost ten years ago.Ben Thornber is also a member of the University of Sydney but the application does not save it for an unknown reason. / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les propriétés thermiques exceptionnelles de l’hélium superfluide, ou He-II, sont mises à profit pour la réfrigération cryogénique d'installations de forte puissance, bien que les mécanismes physiques sous-jacents restent mal compris. L’He-II peut être décrit à l’échelle macroscopique comme la superposition de deux fluides en interaction : un fluide normal se comportant comme un liquide ordinaire, et un superfluide sans viscosité. En présence d’une source de chaleur, un contre-courant s’établit naturellement entre ces deux composantes. L’évacuation de la chaleur par ce contre-courant est limitée par l’apparition d’instabilités dans des conditions mal comprises ; la grande dispersion des données expérimentales ne permettant pas de discriminer les différents modèles théoriques. Cette thèse examine à l’aide de simulations numériques le rôle des conditions aux bords et du couplage mutuel entre les deux composantes de l’He-II dans le déclenchement des instabilités de contre-courant.Une approche originale de type Boltzmann sur réseau a été développée pour modéliser à l’échelle mésoscopique l'interaction entre les deux composantes de l’He-II. Un code reproduisant les écoulements de contre-courant en conduite 2d et 3d a été développé et validé. Les résultats obtenus indiquent des effets d’entrée de conduite amplifiés pour la composante superfluide, qui engendrent des pertes de charge anormalement élevées. Le mécanisme responsable de ces effets d’entrée a été étudié et il est montré qu'il peut fausser la détection du seuil de transition dans des conduites trop courtes ; ceci peut expliquer en partie la dispersion des données expérimentales.Pour illustrer la puissance de l'approche dans une géométrie complexe, le sillage d'un obstacle dans un écoulement de contre-courant a été simulé. La présence de zones de recirculation des deux côtés de l’obstacle, déjà observée expérimentalement, est retrouvée et expliquée par un mécanisme original de parois virtuelles. / The exceptional thermal properties of superfluid helium, or He-II, are exploited to the cryogenic refrigeration of high power installations, although the underlying physical mechanisms remain poorly understood. The He-II can be described macroscopically as the superposition of two fluids in interaction: a normal fluid behaves as an ordinary liquid, and a superfluid without viscosity. In the presence of a heat source, a counterflow established between these two components. The heat dissipation by this counterflow is limited by the occurrence of instabilities in misunderstood condition; the wide dispersion of experimental data does not allow to discriminate between the different theoretical models. This thesis examines using numerical simulations the role of boundary conditions and the mutual coupling between the two components of the He-II in triggering instabilities in counterflow.An innovative lattice Boltzmann type approach was developed to model the mesoscopic scale interaction between the two components of the He-II. A code reproducing counterflow in 2D and 3D conducts has been developed and validated. The results obtained indicate amplified entrance effects for superfluid component, which generate abnormally high pressure drops. The head of these entrance effects mechanism has been studied and it is shown that it can distort the detection of the transition threshold in too short pipes; This may partly explain the dispersion of experimental data.To illustrate the power of the approach in a complex geometry, the wake of an obstacle in a counterflow was simulated. The presence of recirculation areas on both sides of the obstacle, already observed experimentally, is found and explained by a new mechanism using "virtual walls".

Depuis plusieurs années, le département Temps-Fréquence de l’institut FEMTO-ST mène une étude sur le comportement des résonateurs à ondes acoustiques de volume à énergie piégée dans des cristaux à quartz à température cryogénique, typiquement proche de 4 K. Les performances en termes de coefficient de qualité mécanique relevé à ces températures, plusieurs milliards à quelques dizaines de MHz, font des cavités acoustiques en quartz de bons candidats pour des sources de fréquences cryogéniques ultrastables.Les travaux présentés dans ce manuscrit s’inscrivent dans la continuité de ce programme d’étude. Ils visent à consolider l’intérêt du quartz mais aussi à envisager des solutions alternatives à base de matériaux à très faibles pertes acoustiques mais non piézoélectriques pour lesquels l’excitation optique est une alternative crédible. Les présents travaux peuvent être résumés en trois parties majeures :- La première partie a été réalisée dans le but de déterminer une coupe de quartz possédant un point d’inversion sur sa caractéristique fréquence-température aux températures cryogéniques. La seule régulation de température du résonateur d’une source de fréquence ultrastable est en effet insuffisante sans l’existence d’un tel point qui doit servir de point de fonctionnement à la régulation thermique. La recherche d’une coupe compensée a nécessité une campagne préliminaire de mesure des coefficients de température des coefficients élastiques du matériau, inconnus à basses températures. Il a alors été possible, à partir de la connaissance de ces coefficients, d’identifier par le calcul puis de réaliser une coupe remplissant les conditions recherchées.- La seconde partie a pour objectif de faire la preuve de concept consistant à utiliser une cavité acoustique en quartz en cavité optique. Dans sa version de base, le résonateur à quartz à onde de volume piégée est plan-convexe (pour assurer le piégeage) et à électrodes (métalliques pour assurer l’excitation électrique !) déposées sur chacune de ses faces. Il est démontré, théoriquement et expérimentalement, qu’une telle géométrie fonctionne en cavité optique, avec son avantage de simplicité mais avec ses limites. Cette structure de base doit être mise à profit pour le couplage optomécanique abordé en troisième partie et constitue le socle de conception de dispositifs optomécaniques plus performants.- La troisième partie est consacrée à l’évaluation de la pertinence du couplage optomécanique de tels dispositifs fonctionnant à température cryogénique. Une étude portant sur la quantification théorique du couplage optomécanique que peut atteindre une telle cavité a été réalisée. / For a few years, the Time and Frequency department in FEMTO-ST Insitute has been leading research about the behavior of Bulk Acoustic Wave (BAW) trapped in quartz crystal at cryogenic temperatures (near 4K).The measured quality factor are around a few billions at few tens of MHz for such temperatures. Acoustical quartz cavities are therefore good candidates for ultrastable cryogenic frequency sources. The work presented here is in the natural continuation of the research cited above. They aim at strenghtening the interest for quartz crystal, but also to consider alternative solutions with non-piezoelectric material with very-low acoustical losses, for which optical excitation is an option. The following work can be summed up in three main parts:- The first part is about the determination of a quartz crystal cut for which a turnover point exists in the frequency-temperature curve in the cryogenic region. Indeed, it is not enough to barely control the temperature in an ultrastable frequency source. Such a turnover point needs to be the operation point for thermal regulation. Searching a compensated cut arose the need for a preliminary measurements campaign of thermal coefficients of elastics coefficients of the material, which were unknown at low temperature. It was then possible, based on these coefficients, to calculate and even realize a cut fulfilling the required condition.- The second part had the objective to demonstrate conceptually that using a quartz acoustical cavity as an optical cavity was feasible. In its basic scheme, a BAW quartz resonator is plano-convex (to ensure the trapping of the acoustic wave) and has electrodes (metal-made to ensure electrical excitation) deposited on each face. It has been demonstrated, both theoretically and experimentally, that such a geometry works fine as an optical cavity, with its corresponding advantages and limitations. This scheme is used for the optomechanical coupling discussed in the third part and constitutes the very base for more efficient optomechanical devices.- The third part is dedicated to the evaluation of how efficient will such devices be while functioning at cryogenic temperature. A theoretical quantification of the optomechanical coupling that these cavities might reach is also presented.

Ces travaux de thèse portent sur la conception, la fabrication et la caractérisation de résonateurs nano-optomécaniques sous forme de disques en arséniure de Gallium (GaAs). Ces disques sont à la fois des résonateurs mécaniques oscillant au GHz, et des résonateurs optiques à mode de galerie à haut facteur de qualité (>10^5). En confinant l'énergie mécanique et optique sur un volume sub-µm^3, ils permettent d'atteindre un couplage optomécanique extrêmement large (g0 >1 MHz). Nous présentons les développements technologiques ayant permis l'intégration de ces résonateurs avec des guides de couplage optique directement sur échantillon semi-conducteur, tout en maintenant des performances à l'état de l'art. Nous discutons les différents mécanismes de couplage optomécanique (pression de radiation, photoélasticité) dans les disques GaAs, ainsi que les sources de dissipation optique et mécanique dans ces résonateurs. Nous présentons également des expériences d'optomécanique à l'air libre et en cryostat à basse température, allant de la mesure du mouvement brownien et l'observation de rétroaction dynamique, jusqu'à des premières tentatives d'approche du régime quantique du mouvement. Enfin, nous présentons un développement nano-optomécanique complémentaire mené sur le matériau nitrure de silicium (SiN), aboutissant à la fabrication de résonateurs à mode de galerie sur puce à haut facteur de qualité. Après l'étude des instabilités optiques et de la dynamique d'auto-pulsation de ces résonateurs, nous présentons des premières signatures de couplage optomécanique dissipatif dans ces systèmes.

Cette thèse présente la poursuite des travaux grenoblois de développement des Jonctions Supraconductrices à Effet Tunnel (JSET) de types S/Al-AlO_x-Al/S pour le comptage de photons individuels en vue d'applications astronomiques dans l'infrarouge proche. La couche supraconductrice S, en niobium ou en tantale dans notre cas, est photo-absorbante et permet la conversion de l'énergie d'un photon incident en une population de charges excitées dont le nombre est proportionnel à l'énergie déposée et la durée de vie suffisante pour qu'elles soient comptées par effet tunnel. Il suffit pour cela de polariser en tension des jonctions à très basse température (100mK) et d'intégrer les impulsions de courant tunnel photo-induit pour évaluer l'énergie absorbée. L'intérêt des JSET pour la détection lumineuse est discuté dans le premier chapitre au travers de la comparaison des techniques performantes actuelles, aussi bien à base de supraconducteurs (Bolomètres à transition supraconductrice, Bolomètres à électrons chauds) que classiques (Photo-Diodes à Avalanche, Photo-Multiplicateurs, CCD et CMOS). Au démarrage de cette thèse, un procédé de fabrication avait permis d'obtenir des jonctions à base de niobium de bonne qualité et des résultats préliminaires en comptage de photons. L'objectif double était de passer à des jonctions à base de tantale, intrinsèquement plus sensibles, avec un nouveau procédé de fabrication collective plus performant. Dans un premier temps nous avons optimisé la qualité cristalline du dépôt de tantale. Les analyses structurales par rayons X montrent que ces films, déposés par pulvérisation cathodique magnétron à 600$^o$C sur substrat saphir plan-R recouvert d'une sous couche de Nb sont épitaxiés suivant l'axe (100). Les mesures de transport électrique à basse température donnent d'excellents rapports résistifs relatifs (de l'ordre de 45) conduisant à des libres parcours moyens de l'ordre de 100 nm. Dans un second temps, un nouveau procédé original de fabrication collective des jonctions a été imaginé et un jeu de 5 masques a été réalisé. Ces masques permettent la réalisation de jonctions individuelles de différentes tailles (de 25 par 25 à 50 par 50 microns carrés) et formes (quelques dispositifs ont une géométrie en losange ou en forme sinusoïdale). Ils autorisent aussi la réalisation de jonctions multiples sur un absorbeur commun ou de réseau de 9 jonctions (pixels). Le développement de ce procédé et sa fiabilisation ont permis d'obtenir un très fort pourcentage ( >90$%) de jonctions de qualité. Nous avons ainsi obtenu d'excellentes résistances normales de quelques microohm.cm^2 et de faible courant de fuite sous le gap de l'ordre du nA. Enfin, nous avons mis en évidence le fonctionnement de ces dispositifs en comptage de photons à la frontière du visible et de l'infrarouge proche (0,78 micron de longueur d'onde). Et même si une meilleure résolution énergétique requiert encore quelques adaptations expérimentales, les détecteurs obtenus sont particulièrement prometteurs pour l'astronomie au sol, des rayons X à l'infrarouge, aussi bien que pour les télécommunications à 1,55 micron où les possibilités des JSET restent sans équivalent.