L'observation gamma des explosions novae est l'un des objectifs des télescopes spatiaux comme INTEGRAL. Selon les modèles astrophysiques la raie la plus intense du spectre gamma des novae est celle ayant une énergie de 511 keV. Cette raie provient essentiellement de l'annihilation des ß+ venant de la décroissance du noyau de 18F. L'interprétation astrophysique des observations gamma ne pourra se faire que si la nucléosynthèse du 18F est bien comprise. Actuellement, la mauvaise connaissance du taux de la réaction 18F(p,a)15O, lié à la structure du noyau composé 19Ne, engendre une incertitude d'un facteur 300 sur l'abondance du 18F dans les novae. Dans le but de réduire ces incertitudes, une expérience de diffusion inélastique d'un faisceau de noyaux radioactifs 19Ne sur une cible de proton (19Ne(p,p')19Ne*) a été réalisée au laboratoire de Louvain la Neuve. Elle a permis d'étudier notamment plusieurs états excités du 19Ne au dessus des seuils alpha (3.55 MeV) et proton (6.42 MeV). L'étude des distributions angulaires des particules émises (proton ou alpha) par les états excités du 19Ne a permis d'assigner pour la première fois le spin de nombreux niveaux connus. De plus, un nouvel état ½+ large, pouvant influencer fortement le facteur astrophysique, a été observé pour la première fois.

Le diagramme des phases stables et métastables de l'eau reste une énigme depuis des décennies. De nombreuses interprétations ont été proposées pour expliquer les divergences apparentes de certaines propriétés thermodynamiques et de transport, de l'eau surfondue. Mais une description unifiée manque encore, essentiellement parce que la température où apparaissent diverger ces propriétés est située en dessous de la température limite de cristallisation, dans une région, qualifiée de no-man's land, entre l'eau surfondue et la glace amorphe. Nous avons, pour la première fois, mesuré les propriétés dynamiques de l'eau liquide et surfondue par diffusion inélastique du rayonnement synchrotron ultraviolet et par diffusion de lumière visible. En analysant les spectres obtenus à l'aide d'un formalisme de fonction mémoire, nous avons trouvé un bon accord avec les simulations de dynamique moléculaire et avec la théorie du couplage de modes, qui attribue une origine dynamique aux singularités observées dans le no-man's land de l'eau. Nous avons aussi mesuré la dynamique de la solution LiCl-6H2O par diffusion inélastique de la lumière visible et du rayonnement synchrotron dans la gamme des ultraviolets et des rayons X. Cette investigation est un premier pas dans le no man's land de l'eau par parce que la dilution progressive de solutions aqueuses constitue une méthode indirecte pour obtenir des informations sur l'eau pure en dessous de la température de nucléation homogène des cristaux. Nous avons observé au cours du refroidissement de la solution, une relaxation, qui possède des caractéristiques similaires à celles de la relaxation structurale de l'eau pure, mais qui se divise en une relaxation structurale et une relaxation secondaire, autour de la température où les propriétés de l'eau pure semblent diverger. Selon des expériences et des théories récentes et sur la dynamique et le diagramme de phase de l'eau et des solutions ioniques diluées à basse température et à pression élevée, laséparation des dynamiques que nous observons pourrait éventuellement être reliée au début d'une hypothétique transition de phase liquide-liquide qui apparaît à des pressions beaucoup plus élevées que celles étudiées. D'autres investigations en fonction de la pression, et à des concentrations en sel plus faibles, sont souhaitables pour clarifier ces coïncidences fascinantes.

Les résonances géantes monopolaire (GMR) et quadrupolaire (GQR) isoscalaires ont été mesurées dans le 56Ni, grâce à une expérience de diffusion inélastique de deutons de 50 A.MeV réalisée au Grand Accélérateur National d'Ions Lourds. Il s'agit de la première observation de ces modes collectifs dans un noyau à courte durée de vie. Le faisceau secondaire était envoyé dans la cible active Maya remplie de deuterium gazeux pur. Les deutons de recul étaient détectés par Maya et, pour les plus énergétiques (E≥2MeV), par un mur de neuf détecteurs en silicium. La GMR et la GQR sont centrées à 19.3(0.5) MeV et 16.2(0.5) MeV. Les distributions angulaires correspondantes ont été mesurées entre 3 et 7 degrés dans le centre de masse. Une analyse DWBA utilisant des densités de transition RPA a montré que la GMR et la GQR épuisent respectivement 136(27) % et 76(13) % de la règle de somme pondérées en énergie.<br /><br />Un modèle Hartree-Fock-Bogoliubov à température finie a été mis au point pour décrire les dix cellules de Wigner-Seitz composant l'écorce interne des étoiles à neutrons et calculer microscopiquement leur chaleur spécifique. Les calculs ont été réalisés en utilisant deux forces d'appariement de contact : une force reproduisant les propriétés d'appariement obtenues dans l'approximation BCS et une force simulant les effets d'écrantage du milieu. En faisant l'hypothèse d'un scénario de refroidissement rapide du cœur et une température initiale de 100 keV dans l'écorce, le temps de refroidissement de l'étoile a été estimé à 9 et 34 ans respectivement.

L'étude des résonances géantes monopolaires isoscalaires (ISGMR) et des résonances géantes quadrupolaires isoscalaires (ISGQR) dans les noyaux stables, a permis d'obtenir ces dernières décennies des informations fondamentales sur la structure et la matière nucléaire. En particulier, le centroïde de la ISGMR peut être relié au module d'incompressibilité de la matière nucléaire infinie. Des données dans les noyaux exotiques nous aideraient à contraindre ce module d'incompressibilité. Dans les noyaux instables, une seule mesure a, à l'heure actuelle, été réalisée (56Ni). Afin d'étudier l'évolution de la ISGMR et de la ISGQR le long d'une chaîne isotopique, des mesures dans un noyau exotique riche en neutrons sont donc nécessaires.L'expérience étudiée dans cette thèse a été réalisée au Grand Accélérateur National d'Ions Lourds (GANIL) à Caen en septembre 2010. Un faisceau de 68Ni à 50 AMeV et d'une intensité de 10^4 pps a été produit et purifié sur la ligne LISE. Les réactions de diffusion inélastique de particules alpha (alpha, alpha') et de deutons (d,d') sur 68Ni en cinématique inverse ont été étudiées avec la cible active Maya. Il s'agit de la première mesure de la ISGMR et de la ISGQR dans un noyau instable riche en neutrons.Pour chaque expérience, le spectre en énergie d'excitation a été reconstruit et les distributions angulaires étudiées par deux méthodes indépendantes. Les sections efficaces expérimentales ont été comparées à celles issues de calculs DWBA utilisant des densités de transition RPA. L'analyse en (alpha, alpha') a permis l'observation d'une ISGMR fragmentée avec un épaulement à 21.1+/-0.6 MeV, d'une ISGQR concentrée à 16.9+/-0.8 MeV qui épuise 61+/-17% de la règle de somme pondérée en énergie (EWSR). De plus, un mode " soft GMR ", prédit mais jamais observé, a été identifié à 13.4+/-0.5 MeV. Tous ces résultats sont confirmés par l'analyse en (d,d'), à l'exception de l'observation de la ISGQR pour laquelle les conditions de fonctionnement n'étaient pas favorables.

Cette thèse porte sur l'étude de la dynamique de spin dans CeCoIn5 et plus précisément sur l'étude de la "résonance de spin" dans ce composé. CeCoIn5 est le composé à fermions lourds à base de cérium ayant la température de supraconductivité la plus élevé ( Tc = 2.3 K) et présente une supraconductivité non-conventionnelle avec un gap de type d_{x^2-y^2}. Dans l'état supraconducteur, le spectre des excitations magnétiques est radicalement modifié avec l'apparition d'un excitation particulièrement intense appelé "Résonance de spin". Ce type d'excitations a déjà été découvert dans les supraconducteurs haute-températures, dans d'autres composés à fermions lourds et également dans les nouveaux supraconducteurs au Fer. Dans cette thèse, nous étudions l'évolution de la résonance de spin en présence d'un champ magnétique et avec l'introduction d'impuretés magnétiques et non-magnétiques. D'après notre étude, les impuretés vont influer sur la résonance de spin via le gap supraconducteur, en effet la présence d'impuretés diminue le gap supraconducteur et l'énergie de la résonance de spin va diminuer de manière proportionnelle. L'influence du champ magnétique est délicate à considérer mais nos recherches porteraient vers un splitting Zeeman de la résonance de spin en accord avec les modèles développés pour les cuprates.

L’étude des corrélations dans les fluides quantiques est abordée dans cette thèse par le biais de mesures neutroniques de leurs excitations élémentaires. Nos recherches sont motivées par les théories récentes qui permettent désormais de décrire ces excitations jusqu’à des vecteurs d’onde atomiques. Par ailleurs, les nouvelles performances du spectromètre temps de vol IN5 de l’ILL offrent la possibilité de réaliser des mesures précises dans une large gamme d’énergie et de vecteur d’onde. Dans le cas de l’4He, l’isotope bosonique, les mesures de diffusion inélastique ont été réalisées à très basse température, de la pression de vapeur saturante jusqu’à la solidification. Les relations de dispersion des excitations élémentaires correspondantes ont été obtenues avec une grande précision. A des énergies supérieures, nous avons observé dans le facteur de structure dynamique une réponse de multi-excitations très fortement structurée, caractérisée par des seuils correspondant à l’interaction entre les modes élémentaires. En particulier, nous avons observé un phonon “fantôme” associé à l’interaction phonon-phonon. Nos mesures dans l’4He superfluide confirment qualititativement les prédictions de la théorie dynamique à N-corps (2015) et même quantitativement jusqu’à une énergie de 2 meV. Les études effectuées dans le cas de l’3He ont été menées jusqu’à des températures bien inférieures à 100 mK dans une cellule spécialement conçue. Les mesures inélastiques sur cet isotope fermionique ont permis de déterminer avec une grande précision les modes collectifs, zéro-son et paramagnon, ainsi que la bande particule-trou. Couvrant une région encore jamais explorée, elles nous ont permis de confirmer la présence prévue par la théorie d’une excitation de type rotonique dans l’3He liquide massif. Ce mode reste ici confiné dans la bande particule-trou, contrairement au cas de l’3He bidimensionnel. L’ensemble de nos mesures apporte une vision complète du facteur de structure dynamique de ces systèmes modèles pour les bosons et les fermions en interaction, depuis le régime de quasi-particules de Landau et des multi-excitations, jusqu’à la limite des hautes énergies où la dynamique rejoint celle des particules indépendantes. / The effect of correlations in quantum fluids is investigated in the present work by inelastic neutron scattering measurements of their elementary excitations.Recent theories provide us with a detailed description of the dynamics up to atomic wave vectors. In addition, the recent improvement of the time-of-flight IN5 spectrometer at the ILL opens new experimental possibilities in terms of neutron flux and resolution, as well as accessible energy and wave vector ranges. In the case of 4He, the bosonic isotope, the neutron measurements have been performed at very low temperatures, from the saturated vapor pressure up to the melting curve. The dispersion relations of the corresponding elementary excitations have been accurately determined. At higher energies, we observe in the dynamic structure factor a highly structured multi-excitation response, characterized by sharp thresholds due to the coupling of elementary excitations. In particular, we observe a ghost phonon related to phonon-phonon coupling. Our measurements on superfluid 4He confirm the predictions of the dynamic many body theory (2015), the agreement being quantitative up to an energy of 2 meV. The investigations on normal liquid 3He were carried out at temperatures well below 100 mK in a cell specially designed for this purpose. Ourmeasurements on this fermionic isotope yield a high precision determination of the collective modes, zero-sound and paramagnon, as well as the particle-hole band. Since they also cover an unexplored region, we were able to confirm the theoretical prediction of a roton-like excitation in bulk liquid 3He. This mode remains within the particle-hole band, contrarily to the case of two-dimensional 3He. A broad vision of the dynamics of interacting Bose and Fermi systems, going from the Landau quasi-particles and multi-excitations regimes up to the high-energy limit, where the independent particle dynamics is recovered, emerges from our work.

Cette thèse porte sur l'étude de la dynamique de spin dans CeCoIn5 et plus précisément sur l'étude de la "résonance de spin" dans ce composé. CeCoIn5 est le composé à fermions lourds à base de cérium ayant la température de supraconductivité la plus élevé ( Tc = 2.3 K) et présente une supraconductivité non-conventionnelle avec un gap de type d_{x^2-y^2}. Dans l'état supraconducteur, le spectre des excitations magnétiques est radicalement modifié avec l'apparition d'un excitation particulièrement intense appelé "Résonance de spin". Ce type d'excitations a déjà été découvert dans les supraconducteurs haute-températures, dans d'autres composés à fermions lourds et également dans les nouveaux supraconducteurs au Fer. Dans cette thèse, nous étudions l'évolution de la résonance de spin en présence d'un champ magnétique et avec l'introduction d'impuretés magnétiques et non-magnétiques. D'après notre étude, les impuretés vont influer sur la résonance de spin via le gap supraconducteur, en effet la présence d'impuretés diminue le gap supraconducteur et l'énergie de la résonance de spin va diminuer de manière proportionnelle. L'influence du champ magnétique est délicate à considérer mais nos recherches porteraient vers un splitting Zeeman de la résonance de spin en accord avec les modèles développés pour les cuprates. / In this thesis, the spin dynamics of CeCoIn5 has been studied by inelastic neutron scattering. CeCoIn5 presents the highest critical temperature ( Tc = 2.3 K) among heavy fermion Ce-based compounds and shows an unconventionnal supraconductivity with a $d_{x^2-y^2}$-wave gap. The magnetic excitation spectra is radically changed in the supraconducting state with the apparition of an intense excitation named "Spin resonance". This kind of excitation has already been discovered in high-Tc superconductors and even in the new Iron-based superconductors. In this thesis, we focused on the evolution of the spin resonance with the application of a magnetic field and the introduction of magnetic and non-magnetic impurities. From our study, the main effect of impurities is to decrease the superconducting gap which leads to a proportionnal decrease of the resonance energy. The case of magnetic field is more difficult and our researchs suggest a Zeeman splitting of the spin resonance in agreements with the models developped for the cuprates.

La thèse de doctorat “Modes de basse fréquence de petites nanoparticules (nanocristaux métalliques) et de grosses nanosphères (virus) : une étude par diffusion inélastique de la lumière” est dédiée à l’investigation des propriétés acoustiques de différents nano-objets: nanoparticules métalliques (D<30 nm) d’une part et colloïdes/particules virales (D~200 nm) d’autre part. La diffusion inélastique de la lumière (Raman/Brillouin) est utilisée comme instrument de recherche principal pour étudier les vibrations de nanoparticules et pour déterminer leurs paramètres élastiques et mécaniques. Dans le premier chapitre de ce travail, la théorie d’élasticité continue est utilisée afin de présenter une analyse qualitative et de nomenclature des vibrations de sphères solides ; plusieurs modèles théoriques, permettant de décrire le comportement vibrationnel de nanoparticules dans un milieu environnant, et comment celui-ci dépend de l’anisotropie inhérente à une structure cristalline interne, sont discutés. Le deuxième chapitre est consacré à la description physique de la diffusion inélastique de la lumière provenant des fluctuations de polarisabilité induite par les vibrations. Deux types de diffusion inélastique de la lumière sont décrits : la diffusion Brillouin, associée au couplage de la lumière incidente (photon) avec les ondes acoustiques (phonon) dans un matériau massif, et la diffusion de Raman provenant de l’interaction entre un photon incident et des vibrations localisées, comme les vibrations de « petites » [...] nanoparticules. La description détaillée et les principes d’opération des instruments spectroscopiques (tandem Fabry-Pérot) utilisés pour réaliser ces recherches (diffusion inélastique aux basses fréquences, entre 3 et 300 GHz) sont donnés. Le troisième chapitre se focalise sur l’étude des modes basse fréquence de petites nanoparticules métalliques. Trois systèmes sont étudiés : des nanoparticules d’alliage AuAg et de Cu insérées dans une matrice vitreuse et des nanocristaux d’Au déposés sur une surface. Le système AuAg permet d’étudier un spectre Raman remarquablement riche présentant des contributions des modes fondamentaux et des harmoniques d’ordre élevé. Les données expérimentales s’accordent relativement bien avec les calculs théoriques, étayant ainsi la compréhension des ingrédients essentiels de la diffusion Raman par les modes de nanoparticules. L’étude des nanocristaux d’Au déposés a permis de caractériser l’effet de la qualité nanocristalline à travers la levée de dégénérescence partielle des modes de nanoparticules du fait de l’anisotropie élastique. L’étude de la dépendance des spectres Raman en longueur d’onde permet de différencier mono-nanocristaux et nanoparticules polycristallines. Les effets de matrice et de nanocristallinité sont intégrés dans l’étude des nanoparticules de Cu formées dans une matrice vitreuse, où l’influence des conditions de recuit sur les nanoparticules produites a été étudiée. Différentes températures de recuit […] conduisent à des profils Raman basses fréquences très différents. […] Le quatrième chapitre rapporte l’exploration d’une éventuelle exploitation de la diffusion inélastique de la lumière pour la caractérisation de gros virus, comme illustré dans le troisième chapitre pour le cas des petites nanoparticules. Afin de mieux appréhender la relaxation des règles de sélection, puisque la longueur d’onde de la lumière devient comparable à la taille des nanoparticules, le comportement des virus a été comparé à celui de polymères colloïdaux. La Diffusion de Rayons X aux Très Petits Angles (USAXS) et la Microscopie à Force Atomique (AFM) sont utilisées pour garantir la bonne comparaison morphologique entre les virus et des colloïdes de polystyrène. La comparaison des spectres Raman/Brillouin de culots concentrés de virus et de colloïdes de polymère […] permet de discuter l’existence des modes de basse fréquence dans les nanoparticules virales. / The doctoral thesis “Low frequency modes from small nanoparticles (metal nanocrystals) to large nanospheres (viruses): an inelastic light scattering study“ is dedicated to investigations of the acoustic properties of different nano-objects : small metal nanoparticles and nanocrystals (D < 30 nm) and large colloid/viral particles (D _ 200 nm). Inelastic light Raman/Brillouin scattering is used as the main research tool to probe the nanoparticle vibrations and to determine their elastic and mechanical parameters. In the first chapter, the well developed theory of elasticity is used to perform a qualitative and nomenclatural analysis of solid sphere vibrations ; several theoretical models allowing to describe the nanoparticle vibrational behavior within a surrounding medium and how the eigenvibrations are modified due to inner crystalline elastic anisotropy are discussed. The second chapter is dedicated to the description of the physics of inelastic light scattering which derives from the fluctuations of the polarizability induced by vibrations. Two types of inelastic light scattering are described : Brillouin scattering which results from the coupling of incident light (photon) with acoustic propagative waves (phonon) in a bulk substance and Raman scattering which is a result of the interaction between an incident photon and localized vibrations, hence nanoparticle vibrations in the present study. As essential in our study, the detailed description and principles of operation of the spectroscopic tools (tandem Fabry-Perot) used to perform these very low frequency inelastic light scattering spectroscopies (between 3 and 300 GHz typically) are given. The third chapter focuses on the study of low frequency modes from small metallic nanoparticles. Three systems are investigated : AuAg and Cu nanoparticles embedded in a vitreous matrix and Au nanocrystals deposited on a surface. The AuAg system allowed to study a notably rich Raman spectrum featuring contributions from fundamental modes and high order harmonics. The experimental data were found to compare rather well with theoretical predictions, thereby providing more insight into the essential ingredients of Raman scattering from nanoparticle modes. The study of deposited Au nanocrystals allowed characterizing the effect of nanocrystalline quality which results in a partial lifting of degeneracy of the nanoparticle modes due to elastic anisotropy. Investigating the wavelength dependence of the Raman spectrum allows a differentiation between single nanocrystals and multiply twinned nanoparticles. Both embedment effects and nanocrystallinity effects are integrated in the study of Cu nanoparticles grown in a glass matrix, where the influence of annealing conditions on the produced nanoparticles was investigated. It was shown that different annealing temperatures [...] result in very different low frequency Raman profiles. [...] The forth chapter reports on the exploration of the possible use of the low frequency inelastic light scattering probe in the characterization of large viruses, as illustrated in the third chapter for small nanoparticles. In order to address the change of the light selection rules as the wavelength of the exciting light becomes comparable to the size of the nanoparticles, the behaviors of the viruses are compared to those of polymer colloids. Ultra Small Angle X-ray Scattering and Atomic Force Microscopy are used to first ensure the comparableness of viruses and polystyrene colloids in terms morphologies. On the basis of the inelastic light scattering data obtained for PS colloids [...], we discuss the difficult interpretation in termsof eigenmodes of the virus counterparts.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l’Université de Montréal / Le travail présenté dans cette thèse se concentre sur la diffusion inélastique de neutrons de 14 MeV sur les premiers niveaux excités du carbone, de l'oxygène, et du lithium. Les mesures des sections efficaces différentielles ont été réalisées à des angles compris entre 30° et 130°. Le faisceau de deutérons, d'une énergie de 170 keV provenant de l'accélérateur Cockcroft-Walton, frappe une cible de tritium, produisant ainsi des neutrons de 14 MeV par la réaction T(d,n)He4. L'énergie des neutrons diffusés est déterminée par une méthode de temps de vol, utilisant la détection de la particule associée à la production du neutron pour connaître son temps de départ. Le temps de vol est converti en une impulsion de tension, qui est mesurée par un sélecteur d'amplitude à 100 canaux. La résolution temporelle du système est de 3 nanosecondes. Pour tous les niveaux excités observés, les courbes des sections efficaces différentielles inélastiques présentent une asymétrie par rapport à 90 degrés. Les résultats sont comparés aux prédictions du modèle d'interaction directe de Glendenning, et l'accord est satisfaisant pour tous les niveaux étudiés.

Le fil de traîne de l'araignée est un matériau remarquable, un biopolymère aux exceptionnelles propriétés mécaniques. La soie d'araignée a été au centre d'une intense recherche utilisant une large gamme de techniques expérimentales et de modélisations théoriques. Néanmoins, ses propriétés macroscopiques n'ont pas encore été correctement reliées à sa structure et sa dynamique microscopiques.<br />Dans ce travail de thèse, les techniques de diffusion neutronique ont été pour la première fois utilisées pour l'étude de la soie d'araignée. La forte contribution de l'hydrogène en diffusion des neutrons ainsi que la différence des longueurs de diffusion de l'hydrogène et du deutérium ont permis de porter un regard nouveau sur les propriétés structurales et dynamiques des soies d'araignée. Ainsi les résultats appuient un modèle hiérarchique à trois phases de nanofibrilles composées de domaines cristallins et d'ordre à courte portée, contenues dans une matrice amorphe. Des expériences complémentaires de diffusion du rayonnement synchrotron suggèrent que l'eau absorbée par la matrice amorphe forme une glace amorphe à basses températures. Des expériences de diffraction de neutrons (abréviation anglaise : WANS) ont montré un pic méridional hors réseau -non observé par les expériences en rayons X (abréviation anglaise : WAXS)- attribué à une structure smectique de feuillets beta dans les domaines d'ordre à courte portée. L'échange de H2O contre D2O pour les expériences de diffusion de neutrons aux petits angles (abréviation anglaise : SANS) a permis d'observer la variation de contraste à l'intérieur des nanofibrilles et entre les nanofibrilles et la matrice. La mobilité moléculaire a été sondée par des techniques de diffusion inélastique et quasiélastique des neutrons. Il semble qu'une hiérarchie de phénomènes de relaxations décrive la soie hydratée, tandis que la soie native a un comportement vitreux à température ambiante.