Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Nous avons mené une étude expérimentale du bruit de grenaille quantique dans une mono-couche de graphène. La conductance et l'effet Hall quantique ont été également examinés. Le modèle théorique, décrivant la conductance et le bruit quantique dans du graphène idéal (balistique) a été proposé par Tworzydlo et al., 2006. Dans du graphène diffusif, plus facilement réalisable expérimentalement, le bruit de grenaille a été étudié numériquement par plusieurs auteurs (San-Jose et al., 2007, Lewenkopf et al., 2008, Logoteta et al., 2013). Les conclusions des premiers travaux expérimentaux (DiCarlo et al., 2008 and Danneau et al., 2008) sur ce sujet n'en ont pas permis une compréhension suffisamment approfondi et des études complémentaires sont nécessaires. Dans notre expérience nous avons tenté de réduire au maximum les contributions du système de mesure sur le signal détecté en effectuant une mesure du bruit en tension quatre points et en utilisant la détection en cross-corrélation. En plus, notre système de mesure inclut des amplificateurs bas bruit cryogéniques faits maison combinés avec des filtres passe-bande alors que notre couche de graphène contient une constriction au centre. n utilisant les résultats des mesures de la conductance et de l'effet Hall quantique nous avons déterminé le libre parcours moyen dans notre échantillon et conclu qu'il est dans le régime diffusif. Les valeurs du facteur de Fano que nous avons extraites sont en bon accord avec les simulations pour ce régime, un pic au point de Dirac prévu par Lewenkopf et al. a été observé. D'autre part, nos résultats sont compatibles avec ceux de Danneau et al. and DiCarlo et al. / We have conducted an experimental study of the quantum shot noise in a mono-layer graphene device. Conductance of the device and the quantum Hall effect were also investigated. A theoretical model, describing conductance and quantum shot noise in ideal (ballistic) graphene was proposed by Tworzydlo et al., 2006. In diffusive graphene, that is much easier achievable experimentally, shot noise was investigated numerically by several authors (San-Jose et al., 2007, Lewenkopf et al., 2008, Logoteta et al., 2013). Conclusions of the first experimental works (DiCarlo et al., 2008 and Danneau et al., 2008), addressing this problem, didn’t lead to an enough broad understanding of it and a further investigation was required. In our experiment we intended to maximally reduce the contributions of the measurement system to the detected signal by performing four-point voltage noise measurement as well as by using cross-correlation detection. In addition to that, our measurement system include home-made cryogenic low-noise amplifiers combined with band-pass filters, while our experimental device carries a constriction in the center of graphene layer and side-gates are used instead of back-gate. First, using the results of the conductance and of the quantum Hall effect measurements we determined the mean free path in our sample and concluded that it was in diffusive regime. The extracted values of the Fano factor show a good agreement with the above-mentioned simulations for this regime, in particular, the peak at Dirac point, predicted by Lewenkopf et al., was observed. Moreover our results are consistent with those of Danneau et al. and DiCarlo et al.

Cette thèse aborde deux problèmes ayant trait à la physique des gaz quantiques de basse dimensionnalité. Le premier système étudié est un mélange unidimensionnel de bosons et de fermions sans spin soumis à un potentiel aléatoire. Nous commençons par écrire un Hamiltonien de basse énergie et abordons la question de la localisation du point de vue de l'accrochage des ondes de densité par un désordre faible. En utilisant le Groupe de Renormalisation et une méthode variationnelle dans l'espace des répliques, le diagramme de phase peut être tracé en fonctions de deux paramètres : la force des interactions Bose-Bose et Bose-Fermi. La position et les propriétés des phases dépendent d'un paramètre additionnel, le rapport des vitesses du son de chaque composante du gaz. Quelque soit la valeur de ce rapport nous trouvons trois phases, (i) une phase totalement délocalisée, le liquide de Luttinger à deux composantes, (ii) une phase totalement localisée où les deux composantes sont accrochées par le désordre et (iii) une phase intermédiaire où seuls les fermions sont localisés. Le deuxième système est un gaz de bosons de cœur dur sur un réseau en échelle. Trois paramètres en contrôlent la physique : les amplitudes de saut transverse et longitudinale, et le remplissage. En utilisant plusieurs méthodes analytiques (théorie des perturbations, bosonisation et RG) nous proposons une interprétation de résultats numériques nouveaux obtenus par nos collaborateurs, notamment sur le paramètre de Luttinger du mode symétrique. Nous en déduisons un diagramme de phase en présence de désordre faible. / In this thesis we study two distinct problems related to the physics of quantum gases in one dimension. After writing a low-energy Hamiltonian, we address the question of localization by considering the pinning of density waves by weak disorder. Using the Renormalization Group and a variationnal method in replica space, we find that the phase diagram is adequately plotted as a function of two parameters: the strength of Bose-Bose and Bose-Fermi interactions. The position and properties of the various phases depend on an additional third parameter, the ratio of the phonon velocities of each component of the gas. Whatever the value of this ratio, we identify -- using the Renormalization Group and a variational calculation -- three types of phases, (i) a fully delocalized phase, that is a two-component Luttinger, (ii) a fully localized phase where both components are pinned by disorder and (iii) an intermediate phase where fermions are localized and bosons are superfluid. The second system is a two-leg ladder lattice of hardcore bosons. Three parameters control the physics: transverse and longitudinal tunneling and the filling. Using several analytical methods (perturbation theory, bosonization, RG) we give an interpretation of new numerical results obtained by our collaborators, namely on the Luttinger parameter of the symmetric mode. We deduce a phase diagram for weak disorder.

Dans cette thèse, nous étudions le transport quantique d’ondes de matière avec des atomes ultrafroids. Ces systèmes d’atomes ultrafroids fournissent un très bon contrôle et une grande flexibilité pour les paramètres du système tels que les interactions, sa dimensionnalité et les potentiels externes. Cela les rend un excellent outil pour l’étude de plusieurs concepts fondamentaux de la physique de la matière condensée. Nous nous concentrons sur le transport quantique dans les milieux désordonnés. Il diffère du transport classique par le rôle fondamental joué par les phénomènes d’inférence, qui peuvent éventuellement conduire à la suppression du transport; connu comme la Localisation d’Anderson. Nous étudions l’expansion d’un condensat de Bose-Einstein dans un désordre fort et montrons des signes de localisation d’atomes ultrafroids à trois dimensions. Dans la dernière partie de ce manuscrit, nous discutons l’observation de la rétrodiffusion cohérente d’atomes ultrafroids, ce qui est un signal direct du rôle de la cohérence quantique dans le transport quantique dans les milieux désordonnés. Nous observons l’évolution temporelle de la distribution d’impulsions d’un nuage de atomes ultrafroids, lancé avec une distribution de vitesse étroite dans un potentiel désordonné. Un pic émerge dans le sens rétrograde, correspondant au signal de CBS. / In this thesis we study the quantum transport of matter waves with ultracold atoms. Such ultracold atom systems provide a very good control and a high flexibility of the parameters of the systems like the interactions, its dimensionality and the external potentials. This makes them a great tool for the investigation of several fundamental concepts of condensed matter physics. We focus on the quantum transport in disordered media. It differs to classical transport by the fundamental role played by inference phenomena, which can eventually lead to the suppression of transport; known as Anderson Localization. Observing the expansion of a Bose-Einstein condensate in a strong light disorder, we show evidence for Localization of ultracold atoms in three dimensions. In the last part of this manuscript we discuss the observation of Coherent Backscattering of ultracold atoms, which is a direct signal of the role of quantum coherence in quantum transport in disordered media. We observe the time evolution of the momentum distribution of a cloud of ultra-cold atoms, launched with a narrow velocity distribution in a disordered potential. A peak emerges in the backwards direction, corresponding to the CBS signal.

Le tissu osseux est un matériau composite biologique principalement constitué de molécules de collagène, de nanocristaux minéraux et d'eau et qui est organisé en plusieurs niveaux hiérarchiques dont les dimensions caractéristiques s’étendent sur plus de 8 ordres de grandeur. Une compréhension fondamentale de l’organisation de la structure minérale du tissu osseux aux différentes échelles représente un enjeu important pour la communauté biomédicale. Pour répondre à cette demande, nous avons appliqué de nouvelles méthodes actuellement en développement pour la science des matériaux afin de caractériser la phase minérale: l’imagerie par diffraction cohérente des rayons X (CXDI), par la microscopie électronique à transmission avec cartographie d'orientation cristalline automatisée (ACOM-TEM) et l’analyse de la fonction de distribution de paires (PDF) des diagrammes de diffraction des rayons X.Le tissu osseux a été étudié depuis l’échelle de l’angström, pour l’arrangement atomique, en tenant compte de la composition chimique et des variations de longueur des liaisons interatomique, en passant par l'organisation individuelle des cristaux (et entre cristaux), jusqu’à leur organisation à l’échelle du micron avec une résolution nanométrique, permettant également de résoudre la structure de la nano porosité du tissu.Les preuves de principe ont été réalisées sur un modèle bovin et en utilisant des os traités thermiquement pour tester l'applicabilité et la sensibilité des différentes méthodes. En outre, ces résultats sont d'un intérêt direct pour l'archéologie, l'anthropologie et la science médico-légale. De plus, nos premières études réalisées sur des tissus osseux humains affectés par diverses pathologies ont permis de montrer que les différences structurales induites par les pathologies peuvent être détectées à l’échelle du cristal.La description de la préparation des échantillons, les configurations expérimentales et les analyses de données pourraient, ainsi, être appliquées à d'autres tissus osseux, ex. avec un degré différent de maturation ou de différentes espèces. Les tissus de structure et composition similaires aux os tels que la dentine ou le bois de rennes, ainsi que des matériaux poreux inorganiques multi-échelles pourraient également être analysés avec les protocoles proposés.Comprendre les caractéristiques nanostructurales du tissu osseux est donc indispensable afin d’identifier des marqueurs structuraux clés des pathologies de l'os humain. Cette stratégie pourra avoir un impact sur les futurs développements de nouveaux outils pour le diagnostic ou pour évaluer l'efficacité des thérapies pharmaceutiques actuelles. / Bone tissue is a biological composite material organized in several hierarchical levels that spread over more than 8 orders of magnitude in length scales, which is made of three principal components: collagen molecules, mineral nanocrystals and water. A fundamental understanding of how the mineral structure of bone tissue is organized at different length scales is essential for the biomedical community. To answer this demand, we applied novel methods currently in development for materials science to characterize the mineral phase: coherent X-ray diffraction imaging (CXDI), automated crystal orientation mapping with transmission electron microscope (ACOM-TEM) and pair distribution function analysis (PDF) of X-ray diffraction patterns.Bone tissue was investigated from its sub-angstrom arrangement, taking into account chemical composition and interatomic bond lengths shifts, through individual crystal organization (one crystal with respect to the next), to their micrometer organization with nanometer resolution, also allowing resolving the nanoporosity structure within the tissue.Beside the investigation of native bovine tissues, heated bones that are of interest in archeology, anthropology and forensic science, were used as a model to test for the applicability and sensitivity of the different methods for such biological materials. Moreover, a first insight into pathological bone tissues enabled to show that the structural differences of particular pathologies in comparison to healthy state can be observed already at the sub-angstrom scale (as seen from interatomic bonds shifts).The sample preparation described, the experimental setups and data analysis schemes could, furthermore, be applied to bone tissue at different anatomical location, with different degree of tissue maturation, to different species and pathological cases. Bone-like tissues such as dentin and antler as well as inorganic multiscale-porous materials could also be analyzed by the proposed scheme.Understanding the nanostructural characteristics of bone tissue is therefore useful to identify key structural markers of pathological human bone. This strategy could have an impact on future developments of new tools for diagnostic or to assess the effectiveness of pharmaceutical treatments.

Ce mémoire comporte six chapitres. Le premier chapitre passe en revue les problèmes des sols argileux gonflants dans le monde et au Maroc, décrit leurs propriétés physiques et mécaniques, leur nature minéralogique et leur structure, en insistant sur leur comportement lors de l'humidification. Le deuxième chapitre analyse, sur la base des travaux de l'auteur, les différentes pathologies induites dans les bâtiments par le gonflement des sols argileux du Maroc. Les deux chapitres suivants portent sur le calcul des efforts dans les fondations superficielles et de leurs tassements ou gonflements : le chapitre 3 analyse les modifications des contraintes qui sont induites dans les fondations superficielles en béton armé par le gonflement non homogène du sol que provoque l'humidification du massif de sol à partir d'une source d'eau qui peut avoir une position quelconque par rapport à la structure. Le chapitre 4 étudie l'effet de la charge transmise par la fondation sur l'état des contraintes dans le sol et sur les déformations qui se développent en cas d'humidification, qui peuvent être des tassements ou des gonflements suivant les valeurs de la pression de gonflement et de la contrainte verticale dans le sol. Les deux derniers chapitres du mémoire décrivent une étude expérimentale de chargement de fondations superficielles sur des sols gonflants, réalisée dans la ville d'Ouarzazate : le chapitre 5 présente les résultats de l'étude en laboratoire et leur interprétation en termes d'effet de la teneur en eau sur les déformations, la perméabilité et la résistance des sols à deux niveaux sous les fondations. Le chapitre 6 décrit l'expérimentation en vraie grandeur, donne les résultats des essais réalisés sur les quatre fondations superficielles à différents instants du processus d'humidification et de séchage du sol et les interprète à la lumière des résultats des essais de laboratoire et des formules de calcul développées dans les chapitres précédents.

Cette thèse s'inscrit dans l'étude de la rhéologie des mousses liquides, en étudiant expérimentalement le cisaillement de mousses bidimensionnelles. Après un rappel de l'état de l'art du domaine, on présente l'ensemble des techniques expérimentales permettant de réaliser un cisaillement simple. Ensuite on introduit la notion de désordres (géométrique, topologique) de la mousse dont on étudie l'évolution sous l'effet du cisaillement. Ceci est suivi par une étude de la déformation élastique des mousses. Enfin on étudie le régime élasto-plastique en détectant les recombinaisons topologiques entre bulles. On présente la notion d'abruptance d'une mousse et étudie celle-ci en fonction des différents paramètres qui caractérisent une mousse.

Après une introduction générale aux diverses sortes d'ordre et de désordre dans les solides, ainsi qu'à la diffusion des rayons X et à son adéquation pour l'étude de ces phénomènes d'ordre ou de désordre, je présente les deux principaux sujets sur lesquels j'ai travaillé depuis ma thèse : les quasicristaux d'une part, et les fullerènes (C60 pur et composés polymérisés) d'autre part.

Aux échelles mésoscopiques et à basse température, les fonctions d'onde électroniques, dans un échantillon métallique, conservent une phase bien définie sur la longueur de cohérence de phase, qui est de l'ordre de la taille de l'échantillon. Les propriétés de transport électronique et les propriétés thermodynamiques de tels systèmes sont modifiées par les interférences électroniques au sein du matériau. Dans une géométrie annulaire, du fait de l'action du flux magnétique sur la phase des fonctions d'onde électroniques, ces corrections sont révélées par un comportement périodique en fonction du flux magnétique au travers de l'anneau avec une échelle de flux déterminée par le quantum de flux h/e. En couplant des anneaux mésoscopiques à un micro-résonateur nous avons pu montrer que la correction liée à la cohérence quantique de la réponse électromagnétique moyenne d'anneaux bidimensionnels gravés dans une hétérojonction GaAs/AlGaAs était dominée par la contribution électrique. Cette dernière est positive à bas champs indiquant que l'écrantage électrique est augmenté lorsque la symétrie par renversement du temps est brisée par le champ magnétique. La réponse magnétique orbitale est quant à elle diamagnétique à bas champ. Ce diamagnétisme à bas champ a été également mis en évidence sur des anneaux d'argent, en contradiction avec les théories actuelles sur le magnétisme orbital de tels systèmes. Pour tester la possibilité d'induire un transport cohérent dans des nanotubes de carbones, nous avons relié ceux-ci à des contacts supraconducteurs. Nos résultats sur les jonctions ainsi formées montrent qu'il est possible d'induire de la supraconductivité dans un nanotube de carbone par effet de proximité. Les courants critiques mesurés dans de tels systèmes sont étonnamment élevés par rapport à ce qui est attendu dans des jonctions SNS constituées d'un métal normal. Ces jonctions présentent également des comportements avec la température ou le champ magnétique originaux.

Cette thèse regroupe trois travaux qui concernent respectivement la chaîne de spins 1 désordonnée, les impuretés non magnétiques dans la chaîne de spins 1/2 et les processus de réaction-diffusion. La chaîne de spins 1 sous faible désordre est étudiée par la bosonisation abélienne et le groupe de renormalisation. Cette technique permet de prendre en compte la compétition entre le désordre et les interactions, et prédit le devenir des différentes phases de la chaîne de spins 1 anisotrope sous plusieurs types de désordre. L'un des résultats est la grande stabilité de la phase de Haldane, et l'instabilité de la phase antiferromagnétique sous champ magnétique aléatoire, qui sont prouvés par des arguments de groupe de renormalisation. Un deuxième travail utilise les impuretés non magnétiques comme sondes locales des corrélations dans la chaîne de spins 1/2. Dans le cas où les impuretés sont couplées au bord de la chaîne, je prédis un comportement en température du taux de relaxation du spin nucléaire des impuretés (11T,) radicalement différent du cas où ces mêmes impuretés sont couplées à la chaîne tout entière. Ceci peut en particulier être utilisé pour mesurer les exposants de surface des systèmes quantiques unidimensionnels. Le dernier travail traite des processus réaction-diffusion à une dimension dont la matrice de transfert s'exprime comme un modèle de spin. La transformation de Jordan-Wigner permet d'obtenir une théorie des champs fermionique dont les exposants critiques se déduisent du groupe de renormalisation. Cette nouvelle approche fournit une méthode alternative aux développements en c, et semble validée par l'accord raisonnable avec les résultats numériques pour la réaction dé Schlôgl.