Les phénomènes de charge des isolants ont été étudiés à l'aide d'un microscope électronique à balayage qui permet d'injecter de très faibles doses d'électrons dans une large gamme d'énergie et de mesurer simultanément l'émission électronique secondaire et la charge générée dans le matériau par influence. Les résultats obtenus ont permis de montrer que le rendement électronique secondaire est un bon moyen de caractériser l'état de charge d'un isolant et de classer ces matériaux en deux grandes classes selon leur capacité à relaxer les charges générées : · Les "piégeurs", de fortes résistivités, piégent de manière stable les charges pendant des mois. · Les "conductifs", de résistivités plus faibles, relaxent les charges plus ou moins rapidement selon la densité et la mobilité des charges intrinsèques au matériau. Les résultats obtenus ont également montré que le paramètre fondamental qui contrôle la cinétique de charge des isolants est la densité de courant primaire J0. Pour les "piégeurs", différents régimes de charge (autorégulé, vieillissement, dégradation) fonction de la densité de courant J0 et du domaine d'énergie considéré ont été observés. L'étude des "conductifs" a révélé l'existence d'un courant permanent au sein de ces matériaux, caractérisé par le rendement stationnaire qui permet de fixer la valeur limite de J0 que peut supporter un "conductif" sans accumulation de charges. Ces résultats ont permis de définir quel type de matériau devait être utilisé d'un point de vue électrique pour réduire voire annuler la déviation des électrons par les espaceurs des écrans plats à effet champ, mais aussi de mettre en place une nouvelle voie d'exploration du champ interne produit par polarisation thermique d'échantillons vitreux. Nous avons également développé une nouvelle voie d'exploration de l'évolution spatio-temporelle des charges piégées sur les isolants "piégeurs" grâce à l'utilisation d'un microscope à force électrostatique. Les premiers résultats montrent la grande stabilité des charges au sein de ces matériaux.

La diffusion Compton est un moyen de produire des rayons X en réalisant des collisions entre un faisceau d'électrons relativistes et un faisceau laser. Par analogie avec le rayonnement synchrotron, le faisceau laser joue le rôle d'onduleur, ce qui entraîne les électrons dans un mouvement d'oscillation. Le rayonnement émis par les électrons en mouvement, dont certaines caractéristiques sont proches de celle du rayonnement synchrotron, peut être produit sur des machines relativement compactes. L'installation ELSA du CEA DAM DIF dispose d'un accélérateur d'électrons (17 MeV) et d'un laser (532 nm) dont les caractéristiques sont favorables à la réalisation d'une expérience de production de rayonnement X par diffusion Compton. La faible probabilité d'interaction et les petites dimensions des faisceaux (< 100 µm, 30 ps (LTMH)) obligent à optimiser avec soin le recouvrement spatial et temporel des impulsions. La visualisation des deux faisceaux en simultanée se fait grâce à un biseau en aluminium renvoyant les images des deux faisceaux vers les caméras CCD et à balayage de fente. La détection du rayonnement X produit (d'énergie < 11 keV) est réalisée par des écrans radio-luminescents à mémoire. Ces écrans, très sensibles au rayonnement de basse énergie, permettent de visualiser le profil du rayonnement et de réaliser la radiométrie du signal. Ces écrans ont également été utilisés en tant que scintillateurs couplés à un photomultiplicateur pour contrôler en temps réel le rendement de l'interaction. L'analyse des résultats expérimentaux obtenus confirme les résultats des simulations.

La Spectrométrie à Décharge Luminescente est couramment utilisée pour l'analyse spectrochimique des matériaux et est devenue un outil standard pour l'analyse de la composition en profondeur de matériaux multi-couches. Cette technique permet aussi la quantification en se basant sur le nombre de photons émis par atome pulvérisé et ne dépend que de Z, l'impédance de la décharge employée pour l'analyse. Cette approche est basée sur l'analyse des métaux, sans fondement théorique, et son extension vers l'analyse des matériaux non-conducteurs n'est pas validée. Pour une géométrie fixée, Z dépend essentiellement de la pression du gaz plasmagène et de γ, le taux d'émission d'électrons secondaires du matériau de la cathode. Ainsi, pour valider la quantification, il est nécessaire de connaître le γ des différents matériaux et d'établir un classement. Un " γeffectif " a été déterminé à partir des courbes de Paschen pour différents matériaux conducteurs et non-conducteurs. L'étude a montré que ce coefficient dépend sensiblement de l'état physico-chimique de la surface des électrodes, ces variations (jusqu'à 50%) rendent le résultat difficilement exploitable. En revanche, la détermination de la variation de Z avec la pression, a permis un classement des différents matériaux en fonction de leur γ : une forte Z correspond à un faible γ. De plus ces travaux ont montré qu'une variation de la pression du gaz plasmagène peut compenser l'effet de γ sur l'impédance de la décharge ce qui est primordial pour la procédure de quantification. Afin de valider le procédé, nous avons analysé une couche mince organo-metallique (LiPON) et ainsi montré que la quantification est applicable aux matériaux complexes en couche mince.

Durant cette thèse, on utilise des impulsions lasers pour générer et détecter des excitations dans des puits CdMnTe dopés n dont la concentration en Mn est très faible. La technique employé est une technique pompe-sonde qui permet de suivre temporellement les excitations générées. On identifiera les ondes de spin de vecteur d'onde nul et on essaiera de les caractériser. On verra que l'on excite et que l'on observe un mode d'excitation inattendu lié aux spins des électrons du manganèses. On développera un modèle qui permettra d'expliquer ce nouveau mode et d'avoir accès à une caractéristique du gaz 2D d'électrons : ça polarisation. Cette caractéristique est fortement liée aux interactions coulombiennes dans le gaz, et nos mesures sont comparées aux dernières théories sur le sujet. Nos mesures et notre théorie sont compatibles avec ces théories et d'autre mesures effectués par d'autres techniques.

De nombreuses opérations d'usinage nécessitent la présence d'un fluide de coupe afin d'en assurer le succès du fait de la sévérité des sollicitations que subit l'outil. Le but de l'étude est d'identifier les performances de divers additifs soufrés dans les huiles entières, de sélectionner parmi eux l'additif soufré le plus efficace pour la coupe des métaux, ainsi que de comprendre leurs mécanismes d'action dans les différentes applications d'usinage. L'objectif de l'étude est donc d'analyser les mécanismes tribochimiques de lubrification mis en jeu dans les procédés d'usinage et d'optimiser la formulation du lubrifiant. L'influence des différents paramètres liés à la coupe est également étudiée afin d'apporter plus de connaissances sur l'action générale des lubrifiants dans le cas de l'usinage moderne.

Les ondes de surface ont été observées pour la première fois par Wood en 1902 qui note des anomalies dans le spectre de diffraction d'une lumière continue sur un réseau métallique. Pour certaines longueurs d'onde, le spectre diffracté présente des lignes noires que Fano interprète quelques années plus tard (1941) comme dues à l'excitation d'ondes de surface. De façon analogue, on peut exciter par laser de façon résonante une onde plasma de surface à la surface d'un plasma sur-dense créé par interaction laser-solide, si les conditions d'excitation de l'onde sont satisfaites. L'onde de surface se propage le long de l'interface plasma-vide et se caractérise par un champ électrique résonant haute-fréquence localisé. Dans ce travail, la dynamique du plasma et les champs associés à l'excitation par laser de l'onde de surface sont décrits numériquement avec des simulations bidimensionnelles Particule-In-Cell dans lesquelles la surface du plasma est initialement pré-structurée de sorte à satisfaire les conditions d'excitation de l'onde de surface. L'intensité laser a été variée entre Iλ2 =10^15 et 10^20 μm^2/Wcm^2 afin d'étudier la transition entre un régime d'excitation non-relativiste et relativiste. Les simulations dans lesquelles l'onde de surface est excitée sont comparées à celles où elle ne l'est pas et le couplage du laser avec la cible est analysé. Pour différents paramètres du laser et de la cible, nous avons considéré les quatre aspects suivants de l'interaction laser plasma : i) l'absorption laser et le champ électrique à la surface du plasma, ii) le champ magnétique quasi-statique généré, iii) le chauffage électronique et iiii) l'accélération des ions. Nous avons démontré la possibilité d'exciter une onde plasma de surface pour une large gamme d'intensité laser. Lorsque l'onde de surface est excitée, la composante perpendiculaire à la surface du plasma du champ électrique est amplifiée par rapport au champ laser sur la surface plasma-vide d'un facteur allant de 3.2 à 7.2 selon les cas. L'absorption augmente également fortement de 27% lorsque l'onde de surface n'est pas excitée à 73% lorsqu'elle l'est pour Iλ2=10^19 μm^2/Wcm^2 par exemple. Cette étude nous a permis de définir les conditions optimales pour lesquelles le couplage entre le laser et l'onde de surface est le plus efficace. Elles correspondent au régime d'intensité laser relativiste dans lequel le mécanisme d'absorption principale est le " vacuum heating " : les particules gagnent de l'énergie en oscillant dans le champ électrique perpendiculaire à la cible. En présence de l'onde de surface, cette oscillation est fortement augmentée par la présence du champ localisé de l'onde de surface plus intense que le celui du laser. La possibilité de créer des champs magnétiques quasi-statiques auto-générés en présence d'une onde de surface a de plus été étudiée analytiquement et les résultats ont été comparés à ceux des simulations. Les structures de champ obtenues suggèrent que l'intensité du champ magnétique généré induit un confinement partiel des particules sur la surface de la cible lorsque l'onde de surface est excitée. Enfin, nous avons observé un effet induit par l'excitation de l'onde de surface encore plus fort dans des cibles minces dans lesquelles les électrons peuvent circuler d'un bord à l'autre de la cible et interagir plusieurs fois avec le champ de l'onde. Le champ de charge d'espace ainsi créé au cours de l'interaction induit une augmentation importante de l'énergie des ions émis sur les deux faces de la cible mince. L'ensemble de ce travail nous a permis de montrer que l'excitation d'une onde de surface par interaction laser-plasma structuré est un mécanisme physique prometteur pour augmenter l'énergie des particules émises. C'est un point particulièrement intéressant pour les applications liées à la production de protons énergétiques telles que la thérapie hadronique ou à celle d'électrons de hautes énergies indispensables dans le processus de fusion inertiel dans lequel le schéma de l'allumeur rapide est utilisée.

Le Spectromètre Magnétique Alpha (AMS) est un détecteur de particules installé à bord de la Station Spatiale Internationale ; il enregistre des données depuis mai 2011. L'expérience a pour objectif d'identifier la nature des rayons cosmiques chargés et des photons et de mesurer leur flux dans la gamme d'énergie du GeV au TeV. Ces mesures permettent d'affiner les modèles de propagation de rayons cosmiques, d'effectuer une recherche indirecte de matière noire, et de chercher l'antimatière primordiale (anti-hélium). Dans ce mémoire, les données des premières années ont été utilisées pour mesurer les flux d'électrons et de leptons (électrons + positons) dans la gamme d'énergie de 0.5 GeV à 700 GeV. L'identification d'électrons nécessite une séparation électrons/protons de l'ordre de 104, obtenue par l'utilisation conjointe des estimateurs de différents sous-détecteurs d'AMS, en particulier du calorimètre électromagnétique (ECAL), du trajectomètre et du détecteur à radiation de transition (TRD). Dans cette analyse, les nombres d'électrons et de leptons sont estimés par un ajustement des distributions de l'estimateur du calorimètre et vérifiés en utilisant l'estimateur du TRD : 11 millions leptons ont été sélectionnés et analysés. Les incertitudes systématiques sont déterminées en variant les coupures de sélection et la procédure d'ajustement. L'acceptance géométrique du détecteur et les efficacités de sélection sont estimées grâce aux données de simulation. Les différences observées sur les échantillons de contrôle issus des données permettent de corriger la simulation. Les incertitudes systématiques associées à ces corrections sont établies en variant les échantillons de contrôle. Au total, à 100 GeV (resp. 700 GeV), l'incertitude statistique du flux de leptons est 2% (30%) et l'incertitude systématique est 3% (40%). Comme les flux se comportent globalement en loi de puissance en fonction de l'énergie, il est important de maitriser la calibration en énergie. Nous avons contrôlé in situ la mesure en énergie du calorimètre en comparant les électrons des données de vol et les données de tests en faisceaux, en utilisant en particulier la variable E/p ou p est la quantité de mouvement mesurée par le trajectomètre. Une deuxième méthode de calibration absolue à basse énergie, indépendante du trajectomètre, basée sur l'effet de la coupure géomagnétique a été développée. Deux modèles de prédiction de la coupure géomagnétique, l'approximation Störmer et le modèle IGRF, ont été testés et comparés. Ces deux méthodes ont permis de contrôler la calibration en énergie à 2% et de vérifier la stabilité des performances du calorimètre dans le temps. / The Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) is a particle detector installed on the International Space Station; it starts to record data since May 2011. The experiment aims to identify the nature of charged cosmic rays and photons and measure their fluxes in the energy range of GeV to TeV. These measurements enable us to refine the cosmic ray propagation models, to perform indirect research of dark matter and to search for primordial antimatter (anti-helium). In this context, the data of the first years have been utilized to measure the electron flux and lepton flux (electron + positron) in the energy range of 0.5 GeV to 700 GeV. Identification of electrons requires an electrons / protons separation power of the order of 104, which is acquired by combining the information from different sub-detectors of AMS, in particular the electromagnetic calorimeter (ECAL), the tracker and the transition radiation detector (TRD). In this analysis, the numbers of electrons and leptons are estimated by fitting the distribution of the ECAL estimator and are verified using the TRD estimator: 11 million leptons are selected and analyzed. The systematic uncertainties are determined by changing the selection cuts and the fit procedure. The geometric acceptance of the detector and the selection efficiency are estimated thanks to simulated data. The differences observed on the control samples from data allow to correct the simulation. The systematic uncertainty associated to this correction is estimated by varying the control samples. In total, at 100 GeV (resp. 700 GeV), the statistic uncertainty of the lepton flux is 2% (30%) and the systematic uncertainty is 3% (40%). As the flux generally follows a power law as a function of energy, it is important to control the energy calibration. We have controlled in-situ the measurement of energy in the ECAL by comparing the electrons from flight data and from test beams, using in particular the E/p variable where p is momentum measured by the tracker. A second method of absolute calibration at low energy, independent from the tracker, is developed based on the geomagnetic cutoff effect. Two models of geomagnetic cutoff prediction, the Störmer approximation and the IGRF model, have been tested and compared. These two methods allow to control the energy calibration to a precision of 2% and to verify the stability of the ECAL performance with time.

Les polaritons inter-sous-bandes sont des excitations issues du couplage fort entre la transition inter-sous-bande d'un puits quantique et un mode photonique d'une cavité micrométrique. Dans la limite de faible densité d'excitations, c'est-à-dire quand seule une infime fraction de la mer de Fermi est excitée, ces excitations sont bien décrites par un Hamiltonien effectif bosonique et quadratique. Cependant, quand le nombre d'excitations augmente, on s'attend à observer des écarts par rapport aux prédictions issues de cet Hamiltonien. Dans cette thèse nous adaptons la méthode des commutateurs pour bosons composites aux polaritons inter-sous-bandes afin étudier les effets conjoints de l'interaction de Coulomb et du principe d'exclusion de Pauli sur leur comportement à plus haute densité. Suivant une approche microscopique, nous calculons la valeur de l'interaction à deux corps entre polaritons et nous expliquons comment elle peut être encodée dans un Hamiltonien effectif bosonique et quartique. Finalement, en utilisant des paramètres réalistes, nous montrons que l'interaction entre polaritons inter-sous-bandes peut-être importante, et ce, particulièrement dans le THz. Ce résultat ouvre la voie à de futurs travaux en optique non linéaire à base de polaritons inter-sous-bandes. Les principaux résultats de ce travail sont publiés dans la référence [1].

La planification de traitement en radiothérapie nécessite un calcul précis de la dose délivrée au patient. La méthode la plus fiable pour y parvenir est la simulation du transport des particules par technique Monte Carlo. Cette thèse constitue la première étude concernant la validation de la plateforme de simulation Monte Carlo GATE (GEANT4 Application for Tomographic Emission), basée sur les librairies de GEANT4 (GEometry ANd Tracking), pour le calcul de la dose absorbée déposée par des faisceaux d'électrons. L'objectif de cette thèse est de montrer que GATE/GEANT4 est capable d'atteindre le niveau d'exigences requis pour le calcul de la dose absorbée lors d'une planification de traitement, dans des situations où les algorithmes analytiques, actuellement utilisés dans les services de radiothérapie, n'atteignent pas un niveau de précision satisfaisant. L'enjeu est de prouver que GATE/GEANT4 est adapté pour la planification de traitement utilisant des électrons et capable de rivaliser avec d'autres codes Monte Carlo reconnus. Cet enjeu a été démontré par la simulation avec GATE/GEANT4 de faisceaux et des sources d'électrons réalistes utilisées en radiothérapie externe ou en radiothérapie moléculaire et la production de distributions de dose absorbée en accord avec les mesures expérimentales et avec d'autres codes Monte Carlo de référence pour la physique médicale. Par ailleurs, des recommandations quant à l'utilisation des paramètres de simulation à fixer, assurant un calcul de la distribution de dose absorbée satisfaisant les spécifications en radiothérapie, sont proposées.

Dans la partie expérimentale, j'ai étudié quatre split-ring resonators (SRRs) de tailles et de formes légèrement différentes fabriqués par une technique de lithographie électronique adaptée à une étude EELS. Les expériences EELS m'ont permis de détecter les premiers modes propres plasmons de surface (SPs) de ces SRRs dans le domaine du visible et du proche infra-rouge. Les simulations numériques ont par ailleurs montré que la distribution spatiale des SPs dans les SRRs est similaire à celle d'une onde stationnaire plasmonique d'une nanoantenne de même section et de même longueur, alors que ce n'est pas le cas pour le champ électrique. De plus, par rapport à une nanoantenne, le couplage entre les deux pattes du SRR introduit un espacement en énergie différent entre les modes pris successivement, alors que la séparation en énergie entre les modes symétriques en charge d'une part et les modes antisymétriques d'autre part peut encore être maintenue dans un SRR. Dans la partie théorique, j'ai introduit un nouveau type de modes propres quasistatiques, appelés modes propres géométriques qui sont indépendants de l'énergie et de la nature des milieux mis en jeu mais qui dépendent seulement de la forme de la particule étudiée. Ces modes propres m'ont permis d'obtenir, pour la première fois, une expression universelle de la densité locale d'états électromagnétiques (EMLDOS) pour un système plasmonique et de préciser les quantités qui sont mesurées dans les expériences EELS et SNOM. Finalement, une densité d'états pour les modes propres géométriques ne dépendant que de la forme de la particule a été introduite, par analogie avec la EMLDOS "standard" pour les modes propres d'énergie.