La recherche de connaissance de plus en plus précise sur l'évolution de l'univers depuis le big bang, implique le développement d'instruments sub-millimétriques appliqués à la cosmologie observationnelle, comme la caméra bolométrique. Dans ce contexte, il est apparu le besoin de disposer d'un instrument capable de caractériser optiquement l'indice spectral, la transmission et l'absorption de divers matériaux constituant la caméra (matrice de détecteurs, filtres, lentilles...). De plus, l'évolution des besoins observationnels nous pousse aussi à caractériser ces éléments optiques en lumière polarisée et sous différentes températures.<br /><br />Le travail de cette thèse a porté sur la conception, la réalisation puis l'utilisation de l'ensemble de cette chaîne instrumentale. Elle est constituée de trois parties : l'interféromètre, le cryostat optique et l'acquisition et le traitement des données. L'interféromètre de type Martin Puplett est un spectromètre millimétrique par transformée de Fourier. Le principe de fonctionnement est voisin de celui d'un interféromètre de Michelson. Un signal optique polarisé incident, modulé entre un corps noir à 300K et à 70K, est séparé en deux faisceaux grâce à une grille séparatrice, puis interfèrent après avoir parcouru des distances différentes. Le signal transmis par le système est polarisé puis lu par un détecteur de rayonnement, appelé bolomètre, refroidi à 2K. Le cryostat optique permet de refroidir ce bolomètre par détente sur l'hélium liquide et de caractériser des échantillons à 4K. L'acquisition des données est réalisée via une carte électronique qui module le signal du bolomètre et amplifie la réponse. Ensuite, une interface graphique permet d'une part de commander et de contrôler son fonctionnement, et d'autre part de visualiser la réponse spectrale et de rediriger les données vers un autre programme de traitement des données. A l'issu de ce programme, on obtient des réponses spectrales allant de 50 à 3000 GHz avec une résolution pouvant aller jusqu'à 1,3 GHz et une précision en amplitude de 1 %. Ces réponses peuvent être obtenues sous sept différentes polarisations du champ électrique comprises entre 0 et 90°. Cet instrument nous a permis de caractériser différents filtres, lentilles et matrices de bolomètres, prochainement installés dans la caméra bolométrique.

This dissertation provides a brief introduction into scanning tunneling microscopy, and then Chapter III reports on the design and operation of a cryogenic ultra-high vacuum scanning tunneling microscope (STM) coupled to a closed-cycle cryostat (CCC). The STM is thermally linked to the CCC through helium exchange gas confined inside a volume enclosed by highly flexible rubber bellows. The STM is thus mechanically decoupled from the CCC, which results in a significant reduction of the mechanical noise transferred from the CCC to the STM. Noise analysis of the tunneling current shows current fluctuations up to 4% of the total current, which translates into tip-sample distance variations of up to 1.5 picometers. This noise level is sufficiently low for atomic-resolution imaging of a wide variety of surfaces. To demonstrate this, atomic-resolution images of Au(111) and NaCl(100)/Au(111) surfaces, as well as of carbon nanotubes deposited on Au(111), were obtained. Other performance characteristics such as thermal drift analysis and a cool-down analysis are reported. Scanning tunneling spectroscopy (STS) measurements based on the lock-in technique were also carried out and showed no detectable presence of noise from the CCC. These results demonstrate that the constructed CCC-coupled STM is a highly stable instrument capable of highly detailed spectroscopic investigations of materials and surfaces at the atomic-scale. A study of electron transport in single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) was also conducted. In Chapter IV, STS is used to study the quantum-confined electronic states in SWCNTs deposited on the Au(111) surface. The STS spectra show the vibrational overtones which suggest rippling distortion and dimerization of carbon atoms on the SWCNT surface. This study experimentally connects the properties of well-defined localized electronic states to the properties of their associated vibronic states. In Chapter V, a study of PbS nanocrystals was conducted to study the effect of localized sub-bandgap states associated with surface imperfections. A correlation between their properties and the atomic-scale structure of chemical imperfections responsible for their appearance was established to understand the nature of such surface states. This dissertation includes both previously published/unpublished and co-authored material.

La cryopréservation par vitrification est une technique qui devrait permettre de rallonger considérablement les durées de conservation des greffons en abaissant leur température de stockage jusqu'à – 196°C. Elle nécessite l'utilisation de solutions cryoprotectrices (contenant des antigels biocompatibles) pour empêcher la cristallisation de glace dans les tissus, ainsi que des vitesses de variation de la température relativement rapides. La calorimétrie différentielle à balayage permet de déterminer les vitesses requises pour la vitrification des solutions cryoprotectrices. L'exemple de l'éthylène glycol est présenté, complétant les informations connues sur ce cryoprotecteur dans la plage des concentrations concernant la vitrification. Au niveau de la procédure de vitrification, la méthode du recuit a permis d'éviter l'apparition de fractures dans des volumes importants de solution cryoprotectrice. Le cas particulier de la solution VM3 (21st Century Medicine) est détaillé. Il permet de montrer que la stabilité de l'état amorphe ainsi que la quantité de glace cristallisée au réchauffement sont influencées par la température et la durée du recuit. Une analyse sur l'influence du type et de la forme du container porte-échantillon par rapport à la qualité du verre fabriqué a été commencée en parallèle, mais les limites du dispositif cryogénique utilisé nous ont poussé à développer un nouveau cryostat automatisé, permettant de faire des études systématiques dans des conditions reproductibles. Ce cryostat, entièrement conçu et construit au CRTBT, représente le prototype de ce que nous souhaitons proposer à des médecins pour les aider dans leur étude clinique de la cryopreservation des systèmes biologiques. Sa précision de mesure et sa facilité d'utilisation nous a pour le moment permis de mettre en évidence différents événements ayant lieu pendant la vitrification et le réchauffement de nos échantillons.

La présente thèse est un travail expérimental ayant pour objet l'étude de la transition liquide-gaz de l'hélium dans les aérogels de silice par des moyens optiques. De précédentes études d'isothermes d'adsorption d'hélium dans des aérogels ont mené à des résultats contradictoires. D'un côté, l'existence d'une véritable transition de phase le long d'un plateau de pression en dessous de la pression de vapeur saturante (Psat) de l'hélium libre. Cette transition implique deux phases respectivement plus et moins dense que le gaz et le liquide massifs. De l'autre, l'observation d'hystérésis entre l'adsorption et la désorption, ainsi qu'une compressibilité finie évoquant le phénomène courant connu sous le nom de condensation capillaire. La faible densité du `liquide' est alors analysée comme un remplissage partiel de l'aérogel à Psat. Le but de l'observation optique est de discréminer entre ces deux scenarii. Ce mémoire décrit la construction d'un cryostat optique ainsi que de la chaine de mesure associée. Cette plate-forme permet de mesurer simultanément les données thermodynamiques nécessaires à la réalisation d'isothermes, et la lumière diffusée par l'hélium confiné à différents angles. L'étude concerne deux échantillons de même porosité, mais de microstructure différente. Ils présentent chacun une structure fractale s'étendant de quelques nanomètres jusqu'à leur longueur de correlation (20 et 50~nm). Nos mesures indiquent l'existence d'hystérésis entre le remplissage et la vidange. Ces cycles peuvent être analysés en terme de condensation capillaire dans un matériau poreux constitué de pores cylindriques dont les diamètres sont étroitement distribués autour de la longueur de correlation des aérogels concernés. Ces résultats peuvent également être comparés à des simulations récentes où le désordre, plus que la géomètrie, est le facteur déterminant. La mesure de la densité de l'hélium confiné et l'observation optique révèlent qu'à Psat, l'aérogel est plein d'une phase homogène et plus dense que celle de l'hélium massif. En dessous de Psat, le signal optique diffusé à différents angles indique l'existence de domaines correlés sur des distances supérieures à la longueur de correlation des gels. Ces domaines apparaissent et grossissent systématiquement le long des cycles d'hystérésis, là où la compressibilité devient grande. En supposant leur géomètrie sphérique, leur taille maximale est comprise entre 100 et 400~nm.

Cold, trapped atomic ions have enabled the investigation of fundamental physics and generated a rich field of applications. Foremost among these is quantum computation which has recently driven the development of the sophisticated, scalable surface-electrode trap. Despite the many advantages of surface-electrode traps, the typically smaller ion-electrode distance, d, in these traps results in an increased ion heating rate that is proportional to d^(-4) and a decreased trap well-depth that is proportional to d^(-2). These shortcomings can be simultaneously addressed by installing the trap into a cryogenic environment. With this in mind, a closed-cycle, cryogenic ion trapping apparatus that maintains excellent vacuum, is highly modular, has increased optical access, and uses a simple vibration isolation system has been developed. Single ions are trapped and used to characterize system properties such as the motion of the vibration isolation stage. In order to compare this system to a similar room temperature apparatus, the ion trapping lifetime and heating rate are determined. A single ion also serves as a sensitive electric field probe that is used to measure and compensate stray electric fields across the trap. Due to the long dark ion lifetimes in this system, it is well-suited to probing the stability of small, linear ion crystals. Linear ion crystals of arbitrary length are built in an automated fashion using transport waveforms and the scaling of dark lifetime with ion number for N <= 6 is investigated. These data are then used to consider the relevance of various loss channels.

Electrons are weakly attracted to liquid helium due to the small but finite polarizability of helium atoms. However, they cannot enter the liquid unless their energy is more than 1 eV, due to the Pauli exclusion principle. As a result, electrons are bound perpendicular to the surface but are free to move parallel to the surface i.e., they form a two-dimensional electron system (2DES). If the electron density of the 2DES is increased above a critical value ( 1013 per m2) the surface becomes un-stable leading to the formation of charged bubbles known as multielectron bubbles (MEBs). In MEBs the electrons are confined to the inner bubble surface and hence we have a 2DES on a curved surface. The critical density of electrons on the bulk surface is too low to study the quantum dominated phases of the 2DES. In contrast, due to the enormous surface defects and impurities, the electronic density of 2DES in semiconductors cannot be lowered below 1015 per m2, which is high enough such that the 2DES is always in a quantum liquid phase. Alternatively, the possibility of varying the electron density over a wide range and the effects of curvature implies that MEBs can be used to probe new phases of 2DES like Wigner crystallization with strong electron-ripplon coupling, quantum melting, superconductivity etc. In this thesis the experiments done on MEBs in liquid helium are described. In the initial experiments we generated MEBs which were observed to shrink in size. We saw a difference in their collapse behaviour: MEBs in super fluid helium though initially bigger in size collapse much faster than MEBs generated in normal fluid. The vapour present in the MEBs cannot condense fast in normal fluid due to the lower thermal conductivity. In subsequent experiments, we could trap these MEBs, generated in normal fluid and stabilised by their vapour content, in a linear Paul trap. We measured the charge and radius of these trapped MEBs by analysing their dynamics. Interestingly, the stably trapped MEBs were found not to lose charge as they shrink and disappear in hundreds of milliseconds, implying that the charge density inside increases at least two orders of magnitude from the initial value. MEBs so trapped can be used to study the properties of 2DES in the high electron density limit where the quantum confinement energy dominates. Later, we measured the charge of the MEB with respect to time when it was held on a solid substrate. We propose a charge loss mechanism as the tunneling of electrons across a thin lm of helium formed between the MEB and the substrate. We estimated the density of electrons on this thin lm by using a numerical model. We found that the maximum electron density (about a few 1015 per m2) which could be held on a thin lm is limited by tunneling. Moreover, the substrate surface roughness did not affect the charge loss due to the microscopic contact of MEBs with the substrate, resolving the complications in charge loss observed in previous experiments on macroscopic thin films on metallic substrates. Finally, we describe the experiments and the results on the stability of MEBs generated in super fluid helium. Highly charged MEBs (with more than 104 electrons which have an equilibrium radius that is easily visible) are found to be unstable against fission into smaller bubble showing a type of electro-hydrodynamic instability. However, the stability of bubbles with radius less than our detection limit ( 1 m) is still an open question.

This doctoral thesis is focused on the analysis of transport characteristics of submicron and micron transistors MOSFET. The assumption is a constant gradient of concentration, which leads to the fact that the diffusion current density is independent of the distance from the source. Active energy was determined from temperature dependence. The proposed physical model made it possible to determine the value of access resistance between drain and source their temperature dependence. Based on the assumption that the divergence of the gradient of the current density in the channel is zero. IV characteristics of the transistor MOSFET are derived and conducted experimental monitoring current channel depending on the collector voltage for the series of samples with different channel lengths in a wide temperature range from 10 to 350 K. Information on the concentration of charge transport in the channel and the position of the Fermi level at the point of active trap, which is the source of RTS noise, is obtained from the analysis of the transport characteristics. Determining the concentration of charge transport and the position of the Fermi level is important because these variables determine the intensity of quantum transitions and their values are not the same throughout the length of the channel. It was experimentally proved from the analysis of the characteristics of RTS noise that concentration at the local channel decreases with increasing current at a constant voltage on the gate and a variable voltage at the collector. Further, the position of active traps of RTS noise was intended and it was found that this is located near the collector. Active trap is located at the point where the Fermi level coincides with energy level of the traps.

V disertační práci je popsán heliový kryostat s experimentální válcovou konvekční celou pro studium proudění při přirozené konvekci za velmi vysokých Rayleigho čísel Ra (až do řádu 10^15) a Nusseltových čísel Nu (až do řádu 10^4). Pracovní látkou je studené 4He, které umožňuje díky výhodným fyzikálním vlastnostem dosažení velmi vysokých hodnot čísel Ra. Návrh kryostatu je založen na koncepci lázňových NMR kryostatů s nízkým odparem kryokapalin. Ve středu kryostatu je umístěna konvekční cela o průměru 300 mm a výšce 300 mm. Celu tvoří horní a spodní dno a výměnná střední část. Tyto díly jsou spojeny rozebíratelnými přírubami těsněnými indiovým drátem. Výměnná část umožňuje snadnou modifikaci geometrie cely. Hlavní přednost kryostatu spočívá v minimálním vlivu konstrukce cely a použitých materiálů na studovanou konvekci. Cela kryostatu je navržena pro pracovní tlaky do 250 kPa.

Sr₃Ru₂O₇ is a quasi-two-dimensional metal and has a paramagnetic ground state that is heavily renormalised by electron-electron correlations and magnetic exchange interactions. Inextricably linked to this renormalisation is the metamagnetism of Sr₃Ru₂O₇ - a rapid rise in uniform magnetisation over a narrow range of applied magnetic field. Knowledge of the zero-field physics is essential to any description of the metamagnetism. Light may be shed on the enigmatic ground state of Sr₃Ru₂O₇ by doping the crystal lattice with foreign cations: this is the primary purpose of the original research referred to in this thesis, in which studies of some of the electronic properties of crystals of cation-doped Sr₃Ru₂O₇ are reported. Single crystals of Sr₃(Ru[subscript(1-x)]Ti[subscript(x)])₂O₇ and Sr₃(Ru[subscript(1-x)]Cr[subscript(x)])₂O₇ have been synthesised in an image furnace and some of the properties of these crystals have been measured. Evidence that indicates the emergence of a spin density wave as a function of Ti-doping in Sr₃(Ru[subscript(1-x)]Ti[subscript(x)])₂O₇ is presented. Time-dependent magnetic irreversibility has been observed in samples of Sr₃(Ru[subscript(1-x)]Cr[subscript(x)])₂O₇, thus hinting at the involvement of the RKKY mechanism in these materials. Regarding cation doping out of the conducting RuO₂ planes, samples of (Sr[subscript(1-y)]La[subscript(y)])₃Ru₂O₇ have been grown and investigated. Both the Sommerfeld coefficient and the Fermi liquid A coefficient of (Sr[subscript(1-y)]La[subscript(y)])₃Ru₂O₇ are found to decrease as a function of y (0 ≤ y ≤ 0.02); these observations point towards a reduction in the thermodynamic mass of the Landau quasiparticles. Results from magnetoresistance and magnetisation measurements indicate that the metamagnetism of the (Sr[subscript(1-y)]La[subscript(y)])₃Ru₂O₇ series probably cannot be explained by a rigid band-shift model. Also, some aspects of these data imply that the metamagnetism cannot be fully accounted for by a spin fluctuation extension to the Ginzburg-Landau theory of uniform magnetisation.

L'étude de contacts atomiques ajustables est rendue possible par la réalisation de jonctions à cassure. Ce type de structure est constitué d'un conducteur métallique, tel que l'aluminium ou l'or, déposé sur un substrat, et dans lequel une constriction localement sous-gravée forme un pont suspendu. En déformant le substrat, cette constriction est étirée de façon contrôlée. De cette manière l'étirement de la jonction peut être stabilisé au stade d'un contact de taille atomique. Le travail de recherche présenté ici est scindé en deux parties. D'une part, des jonctions à cassure simples en aluminium sur substrat en bronze ont été étudiées aux très basses températures. A l'aide du phénomène de réflexions d'Andreev nous arrivons à la conclusion que l'aluminium, à l'inverse de l'or, ne forme pas de chaînes monoatomiques plus longues qu'un dimère. Une structure double de type transistor à un électron (SET) a également été mesurée aux très basses températures. D'autre part, un système composé d'une ou de deux jonctions à cassure sur membranes fines en silicium monocrystallin a été développé et caractérisé à température ambiante. Ce système constitue un nanosystème électromécanique, ou NEMS, intégrable en technologie silicium. Des membranes, d'une épaisseur de 340 nm seulement, ont été fabriquées à partir de substrats SOI. Les propriétés mécaniques statiques et dynamiques de ces membranes sont étudiées. Plusieurs actionnements mécaniques stables, constitués d'une pointe déplacée par un piézo, ont été développés. Ils permettent à chaque jonction à cassure sur membrane d'être adressée individuellement, y compris aux très basses températures. L'influence d'une illumination en lumière laser sur la conductance de contacts point en or est étudiée. Une augmentation de la conductance est mesurée. L'influence du substrat peut être exclue grâce à l'utilisation de membranes fines. Cet effet est relié à un phénomène de transmission assistée par photons. Dans ce travail, des jonctions à cassure, initialement développées pour la physique fondamentale, sont intégrées sur des membranes en silicium, permettant ainsi une utilisation en tant que capteurs électromécaniques.