Dans un contexte de besoin grandissant en précision dans la mesure des faibles courants pour les instituts nationaux de métrologie, l’industrie, les fabricants d’instruments et la physique fondamentale, l’étude des dispositifs à un électron (SET) capables de générer un courant continu directement proportionnel à une fréquence et la charge élémentaire, couplés à un amplificateur de courant très performant, le comparateur cryogénique de courant (CCC), devient pertinente pour réaliser un étalon quantique de courant. Dans ce contexte, les travaux ont été poursuivis au LNE sur l’étude de nouveaux dispositifs SET et le développement de nouveaux CCC. Durant cette thèse, un montage expérimental a été mis en place afin d’évaluer les performances d’un nouveau CCC, constitué d’une conception originale et de 30 000 tours. Les résultats expérimentaux obtenus sont satisfaisant par rapport aux objectifs fixés, que ce soit en termes de résolution en courant, d’erreurs, de stabilité des mesures et de reproductibilité. Le CCC développé durant la thèse peut donc être utilisé pour quantifier de manière métrologique les dispositifs à un électron. De plus, une modélisation réalisée à partir d’un schéma électrique équivalent a été mis en place afin de simuler le comportement réel du CCC en prenant en compte les aspects magnétiques et électriques mis en jeu. Cette simulation a permis la quantification de l’erreur due aux fuites de courants au travers des capacités parasites entourant les enroulements. Les résultats de la simulation indiquent que cette erreur atteint 10 10 à la fréquence de travail, ce qui est inférieure de deux ordres de grandeurs à l’erreur maximale tolérable : 10-8. Les résultats expérimentaux et de modélisation fournissent de nouveaux éléments d’amélioration de la conception de CCCs de grand gain. Enfin, la modélisation développée, une fois insérée dans une routine d’optimisation, pourra aussi être un outil de conception des CCCs très utile. / In a context of growing need of precision in measuring low currents for national metrology institutes, industry, instrument manufacturers and fundamental physics, study of single-electron tunneling (SET) devices capable of generating a direct current directly proportional to the frequency and the elementary charge, coupled with a high performance current amplifier, the cryogenic current comparator (CCC), becomes relevant to realize a quantum current standard. In this framework, at LNE, study of new SET devices and the development of CCCs continues. In this thesis, an experimental setup was implemented to evaluate the performance of a new CCC, consisting of a new design and 30 000 turns. The experimental results fulfill our goals, whether in terms of current resolution, errors, measurement stability and reproducibility. The CCC developed during the thesis can thus be used to metrologically quantify SET devices. In addition, a model based on an equivalent circuit diagram has been developed to simulate the actual behavior of the CCC, taking into account the magnetic and electrical aspects involved. This simulation allows the quantification of the error due to currents leakage through parasitic capacitances surrounding the windings. Results of the simulation indicate that this error reaches 10 10, which is less, by two orders of magnitude, than the maximum tolerable error: 10 8. Results obtained experimentally and by simulation provide new improvement elements in the design of high ratio CCCs. The developed model, once inserted into an optimization routine, can also be a very useful design tool of CCCs.

Les travaux présentés dans cette thèse sont consacrés à l'investigation du fonctionnement des technologies bipolaires, et plus particulièrement des technologies BiCMOS SiGe, pour une utilisation à température cryogénique. Un état de l'art sur les transistors bipolaires et les bruits électroniques que l'on rencontre sur ce genre de technologie sont donnés avec une approche orientée vers les basses températures. Ces rappels permettent d'aborder les mesures, des paramètres basse fréquence et du bruit, réalisées sur des transistors bipolaires silicium et sur deux technologies SiGe à 300 K, 77 K et 4.2 K. Il est ensuite présenté deux réalisations d'ASIC cryogénique en technologie standard BiCMOS SiGe. La première est un amplificateur bas bruit (1 nV/sqrtHz) et large bande (1 GHz) fonctionnant à 77 K. Il est destiné à la caractérisation de bolomètres supraconducteurs YBaCuO à électrons chauds. La seconde réalisation est un circuit de lecture et de multiplexage de matrice de SQUID. Il est, en particulier, présenté le développement, la réalisation et le test d'un amplificateur ultra bas bruit (0.2 nV/sqrtHz) avec deux entrées multiplexées fonctionnant à 4.2 K.

L’apport de sédiments fins au cours d’eau est un phénomène naturel mais qui sous les effets de l’anthropisation peut devenir excessif et conduire à perturber le fonctionnement de l’hydrosystème. Cet apport excessif provoque le colmatage du lit des rivières et peut perturber les échanges hydriques, les processus biogéochimiques et les communautés d’invertébrés benthiques et hyporhéiques. D’un point de vue méthodologique, la mesure de la conductivité hydraulique dans le substrat permet d’obtenir une image du niveau de colmatage de la zone hyporhéique et le pompage Bou Rouch permet d’étudier qualitativement la faune hyporhéique. D’un point de vue biologique, les effets du colmatage sont un peu plus importants pour l’hyporhéos que pour le benthos notamment au niveau de la richesse taxonomique, des assemblages faunistiques et des traits biologiques / Fine sediment input to the streambeds is a natural phenomenon but in addition to the effects of human impacts may become excessive and lead to disruption of the functioning of the hydrosystem. This excessive intake causes the clogging of river beds and can disrupt water exchange, biogeochemical processes and benthic and hyporheic invertebrate communities. From a methodological point of view, measurement of hydraulic conductivity in the substratum provides a realistic picture of the clogging level of the hyporheic zone and the Bou Rouch pump a good sampling for a qualitative study of the hyporheic fauna. From a biological point of view, the clogging effects on the hyporheos are higher compared to the benthos regarding taxonomic richness, changes in faunal assemblages and biological traits

Le développement des technologies de communication et de l’information nécessite des composants semi-conducteurs ultrarapides et à faible niveau de bruit. Les transistors bipolaires à hétérojonction (TBH) sont des dispositifs qui visent des applications à hautes fréquences et qui peuvent satisfaire ces conditions. L’objet de cette thèse est l’étude expérimentale et la modélisation du bruit haute fréquence des TBH Si/SiGe:C (technologie STMicroelectronics) et InP/InGaAs (III-V Lab Alcatel-Thales).Accompagné d’un état de l’art des performances dynamiques des différentes technologies de TBH, le chapitre I rappelle brièvement le fonctionnement et la caractérisation des TBH en régime statique et dynamique. La première partie du chapitre II donne la description des deux types de TBH, avec l’analyse des performances dynamiques et statiques en fonction des variations technologiques de ceux-ci (composition de la base du TBH SiGe:C, réduction des dimensions latérales du TBH InGaAs). Avec l’aide d’une modélisation hydrodynamique, la seconde partie montre l’avantage d’une composition en germanium de 15-25% dans la base du TBH SiGe pour atteindre les meilleurs performances dynamiques. Le chapitre III synthétise des analyses statiques et dynamiques réalisées à basse température permettant de déterminer le poids relatif des temps de transit et des temps de charge dans la limitation des performances des TBH. L’analyse expérimentale et la modélisation analytique du bruit haute fréquence des deux types de TBH sont présentées en chapitre IV. La modélisation permet de mettre en évidence l’influence de la défocalisation du courant, de l’auto-échauffement, de la nature de l’hétérojonction base-émetteur sur le bruit haute fréquence. Une estimation des performances en bruit à basse température des deux types de TBH est obtenues avec les modèles électriques. / In order to fulfil the roadmap for the development of telecommunication and information technologies (TIC), low noise level and very fast semiconductor devices are required. Heterojunction bipolar transistor has demonstrated excellent high frequency performances and becomes a candidate to address TIC roadmap. This work deals with experimental analysis and high frequency noise modelling of Si/SiGe:C HBT (STMicroelectronics tech.) and InP/InGaAs HBT (III-V Lab Alcatel-Thales).Chapter I introduces the basic concepts of HBTs operation and the characterization at high-frequency. This chapter summarizes the high frequency performances of many state-of-the-art HBT technologies. The first part of chapter II describes the two HBT sets, with paying attention on the impact of the base composition (SiGe:C) or the lateral reduction of the device (InGaAs) on static and dynamic performances. Based on TCAD modelling, the second part shows that a 15-25% germanium composition profile in the base is able to reach highest dynamic performances. Chapter III summarizes the static and dynamic results at low temperature, giving a separation of the intrinsic transit times and charging times involved into the performance limitation. Chapter IV presents noise measurements and the derivation of high frequency noise analytical models. These models highlight the impact of the current crowding and the self-heating effects, and the influence of the base-emitter heterojunction on the high frequency noise. According to these models the high frequency noise performances are estimated at low temperature for both HBT technologies.

Le travail de cette thèse a consisté à concevoir, réaliser et optimiser un montage expérimental de Polarisation Dynamique Nucléaire multi-échantillons pour des applications biomédicales en Imagerie Spectroscopique par Résonance Magnétique. Ce montage est constitué d'un aimant à fort champ magnétique (3,35T), dans lequel se place un système cryogénique à bain d'hélium (He$^4$) liquide pompé pouvant atteindre des températures inférieures à 1,2K. Un ensemble d'inserts permet d'effectuer les différentes étapes du processus PDN dont l'irradiation des échantillons par un champ micro-onde (f=94GHz et P=50mW) et le suivi de leur polarisation par Résonance Magnétique Nucléaire. Ce système permet de polariser jusqu'à trois échantillons, de volume proche de 1mL, à des taux de polarisation de quelques pourcents. Il présente une forte autonomie supérieure à quatre heures, autorisant ainsi la polarisation de molécules à longues constantes de temps de polarisation. La possibilité de disposer quasi-simultanément, après dissolution, de plusieurs échantillons fortement polarisés ouvre la voie à de nouvelles applications dans le domaine de l'imagerie biomédicale.

Cette thèse présente des résultats de recherche sur des résonateurs acoustiques à ondes de volume travaillant à températures cryogéniques (de 3K à 15K dans un réfrigérateur à tube pulsé) ainsi que sur les systèmes construits autour de ces composants. Le premier aspect concerne le fonctionnement de différents composants, dont en particulier le résonateur. Le comportement de ce dernier a fait l'objet d'une étude plus systématiquement sur la gamme de fréquence [1−90 MHz]. Des facteurs de qualité de 417 * 106 et des produit Q* f (facteur de qualité Q à la fréquence f) pouvant atteindre 3, 07*1016 Hz ont été mesurées pour les résonateurs à quartz, valeurs exceptionnelles qui sont des records mondiaux pour cette classe de composants. Il est montré que le facteur de qualité Q ne dépend pas de la fréquence f à ces températures, conformément à la théorie de Landau-Rumer. Les problèmes et avantages de travailler à de telles températures sont évalués. Les limitations qui s'y rattachent sont discutées. D'autres composants passifs ou actifs, tels que des transistors, sont aussi d'étudiés. Le choix des composants appropriés est fait sur la base de comparaisons de leur comportement à 4K. Les résultats sont confirmés par une modélisation d'amplificateurs cryogéniques, réalisée avec succès. Le deuxième aspect mis en lumière dans ce travail est la modélisation et la simulation des composants et des systèmes étudiés. Le rapport présente un modèle rigoureux du bruit de phase des composants à onde acoustique de volume prenant en compte les non linéarités et basé sur la méthode de la moyenne. Ce modèle du résonateur, de type MIMO (multiple-input and multiple-output) est utilisé pour en déduire l'impact des différents paramètres d'un oscillateur sur son bruit de phase et expliquer les résultats expérimentaux. Les modèles établis pour les différents autres composants sont aussi utilisés pour simuler et optimiser des amplificateurs et oscillateurs cryogéniques. Le troisième aspect concerne des sources de fréquence basées sur ces résonateurs à ondes de volume cryogéniques : référence passive et oscillateur cryogéniques. Les systèmes réalisés ont permis de mesurer et caractériser le bruit du résonateur dans des conditions spécifiques. Certaines sources de bruit ont ainsi été identifiées. Les systèmes à boucle d'asservissement testés ont une stabilité relative de fréquence de 4 * 10−13 à 100 secondes et restent à mieux que 1 * 10−12 entre 1 et 2000 s. L'oscillateur réalisé a une stabilité de 1.5 * 10−12 à 200 s et meilleure que 1 * 10−11 pour des temps d'intégration plus grands que 80 ms. Les limitations de ces systèmes sont discutées sur la base des données obtenues.

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

Ce mémoire présente l'étude du refroidissement d'atomes par laser en présence d'un champ magnétique transverse faible (effet Sisyphe magnétique) sur une transition J = 1 → J' = 1. La première partie de ce travail est consacrée à l'optimisation d'un jet supersonique d'hélium métastable sur lequel nous avons effectué nos expériences de refroidissement laser. L'optimisation du jet en vue de piéger les atomes dans un piège magnéto-optique est aussi décrite. La deuxième partie consiste en une description de l'effet Sisyphe magnétique sur l'hélium métastable. Après une présentation qualitative du mécanisme mettant en jeu l'effet Sisyphe magnétique, nous discutons les résultats expérimentaux à la lumière de calculs théoriques détaillés.

En microélectronique, les techniques actuelles de fabrication des supercondensateurs requièrent le développement de motifs nanostructurés de surface spécifique élevée. Nous nous intéressons à une alternative émergeante aux techniques classiques ‘top-down’ de fabrication des masques de gravure : les mélanges d’homopolymères. En effet, deux polymères avec des chimies différentes sous forme de films minces peuvent conduire à une séparation de phase avec des domaines cylindriques de taille sub-micrométrique. Une gravure cryogénique au travers de ces masques produit une nanostructuration avec une importante surface spécifique. Les travaux de cette thèse ont porté sur la réalisation des films minces et sur la compréhension des mécanismes d’obtention de la morphologie finale. Une étude a été menée sur les solvants de dépôt et d’exposition pour déterminer leur influence sur les morphologies. Les paramètres influençant la taille des motifs sont ensuite étudiés. Des domaines de moins de 100 nm ont été obtenus. Finalement, l’étude d’une méthode alternative de dépôt par dip-coating a permis l’obtention d’une grande variété de morphologies en une seule étape et pour une même solution. Ces travaux se sont ensuite orientés sur la réalisation des motifs en gravant par plasma le silicium au travers de ces masques. Deux procédés ont été retenus, adaptés et optimisés afin de réaliser des gravures profondes sans défaut. Le procédé STiGer aniso permet de les obtenir et ce, avec la meilleure répétabilité. Un autre axe, portant sur l’optimisation de la sélectivité en modifiant la nature du masque, a été développé. Une sélectivité de 70 : 1 est obtenue pour un masque de poly(styrène) marqué au Ru. / In microelectronics, current techniques for supercapacitors manufacturing requires the development of nanostructured patterns with high specific surface. We are interested in an emerging alternative approach to conventional 'top-down' fabrication techniques based on blends of homopolymers. Indeed, two polymers with different chemistries in thin films can lead to phase separation with cylindrical domains of sub-micrometer size. A cryogenic plasma through these masks can produce nanostructuration with a high specific surface. The work of this thesis focused on the realization of thin films and on the understanding of the mechanisms to obtain the final morphology. A study on solvent deposition and exposure was led to determine their influence on the morphologies. The parameters influencing the size of the domains are then studied. Domains of less than 100 nm were obtained. Finally, the study of an alternative method of deposition by dip-coating enabled to obtain a variety of morphologies in one step and for the same solution. This work was then directed towards the realization of structured surfaces by plasma etching of the silicon through this masks. Two methods were used, adapted and optimized to achieve deep etched without default. The process StiGer aniso allows to obtain this and with better repeatability. Another axis is developed. It is focused on the optimization of the selectivity by modifying the nature of the mask. We succeed in obtaining a selectivity of 70: 1 with a mask of poly(styrene) stained by Ru.

L'organisation des substances humiques à l'échelle moléculaire reste une question largement débattue, et à ce jour, il n'a pas été possible de trancher entre une structure polymérique en pelotte plus ou moins flexible et un assemblage supramoléculaire de molecules hétérogènes associées par des liaisons hydrogènes et des interactions hydrophobes. Dans cette thèse, nous étudions la reconformation induite par l'addition de tensio-actifs cationiques (Chlorure de C n-trimethylammonium) sur une série de substances humiques (acides fulvique et humiques) ainsi que sur de la matière organique naturelle contenue dans des eaux noires. Des mesures de turbidité, de diffusion de lumière, mobilité électrophorétique, tension de surface, spectroscopie de fluorescence, diffusion des neutrons aux petits angles, et cryomicroscopie à transmission, permettent de decrire les complexes formés entre le tensio-actif et la matière humique. L'association matière humique/tensio-actif dépend à la fois d'interactions d'origine électrostatique et hydrophobe. Une série de structures moléculaires, vésicules, disques, globules, pseudo-micelles, est observée en cryomicroscopie selon la concentration en surfactant. La séquence obtenue est cohérente avec un système catanionique, en d'autres termes une partie de la matière humique est amphiphile et s'organise en assemblage supramoléculaire. L'addition de tensio-actif modifie également fortement le spectre de fluorescence de la matière humique, les nouvelles bandes bien résolues présentes sur le spectre indiquant une restructuration majeure de l'assemblage supramoléculaire. / The structural organization of humic nanocolloids remains a matter of harsh debate, and surprisingly, it is yet not possible to decide between an arrangement of the humic matter in the form of randomly coiled macromolecules more or less connected, and a supramolecular organization of small heterogeneous molecules linked by hydrogen bonds and hydrophobic interactions. In this study, we investigate the reconformation induced by the addition of cationic surfactants (C n-trimethylammonium chloride) of varying alkyl chain length with a series of humic substances (HS) and Dissolved Organic matter (DOM) from two blackwater rivers of the Central Amazon. Turbidity measurements, Dynamic light scattering, electrophoretic mobility, surface tension, fluorescence spectroscopy, small angle neutron scattering and cryo-transmission electron microscopy (cryo-TEM), are combined to describe the Humic Substance/Surfactant complexes obtained. The association between the oppositely charged HS and cationic surfactant is driven by both electrostatic and hydrophobic interactions. A variety of molecular structures, unilamellar vesicles, disks, globules, spheroidal micelles, are visualized by cryo-TEM depending on surfactant concentration. Such sequence, consistent with those displayed by catanionic systems, provides an independent confirmation of both the amphiphilic nature of HS and of its supramolecular organization. In addition, the molecular rearrangement was investigated using single-scan fluorescence emission spectra spectroscopy, thus identifying the chemical groups responsible for the fluorescence properties in HS and DOM. The addition of cationic surfactant to HS/DOM unveils an unexpected fine structure of humic-like fluorescence through new emission peaks that are not evidenced in the references HS/DOM. An enhanced protein-like fluorescence indicating major restructuration and structural stacking/de-stacking is observed. All our results support a supramolecular organization of humic substances and DOM.