Dans ce manuscrit, nous présentons des mesures haute résolution de chaleur spécifique Cp réalisées sur des anneaux mésoscopiques d'argent à très basses températures. Le but de cette expérience est de mettre en évidence une possible signature thermique due à la présence de courants permanents. Ce phénomène reste encore mal compris malgré de nombreuses expériences. Il existe en effet des contradictions entre les différents modèles théoriques et les résultats expérimentaux. L'approche thermique que nous exposons ici est un angle nouveau qui n'a jamais été exploré. Sous champ magnétique, une oscillation de période égale au quantum de flux Φ0=h/e (ou moitié) de Cp est attendue théoriquement. L'échantillon étudié est composé d'un grand nombre d'anneaux d'argent mésoscopiques déposés sur une membrane en silicium suspendue. Nous avons réalisé, à différentes températures, de multiples balayages en champ de la chaleur spécifique. Un traitement des signaux obtenus a ensuite été réalisé afin de repérer une éventuelle périodicité. Il a révélé la présence sur le signal de phase d'une oscillation de période h/2e n'apparaissant pas sur le module de la chaleur spécifique. Cette signature est maximale à 100mK. La fréquence et l'amplitude obtenues sont en accord avec les prédictions théoriques. La sensibilité atteinte est de ΔC~10^(-14)J/K sur le module (et de Δφ~10^(-2) degrés sur la phase) soit 10^(-21)J/K par anneau. Les résultats présentés ici apportent donc de nouveaux éléments dans l'analyse des courants permanents. / In this thesis, we report very high resolution specific heat measurements of normal metal mesoscopic silver rings at very low temperatures. The objective of this experiment is to measure the possible existence of thermal signatures due to the presence of persistent currents. This phenomenon is still misunderstood despite many measurements. Some contradictions exist between experimental results and the different theories. The thermal approach is a new point of view. Under magnetic field, the Cp variation is expected be periodic with the quantum of flux Φ0=h/e or half of the quantum of flux as it has been theoretically predicted. The studied samples is composed by a large number of silver rings with an electronic phase coherence length of few microns at low temperatures. They were deposited on the suspended membrane of a silicon sensor. We have realized, at different temperatures, a large number of identical scans of the heat capacity variation as a function of the applied field. A signal processing work on this data has then been realized to detect signal periodicities. It showed a difference between the module and the phase of the heat capacity. A peak can be observed on the FFT at a frequency corresponding to h/2e on the phase signal. The peak appears particularly at 100mK with a amplitude which is consistent with previous calculations. A sensitivity of ΔC~10^(-14)J/K on the module (Δφ~10^(-2) degrees on the phase) has been reached whether 10^(-21)J/K per ring. Thus, the presented experiences give new elements in the field of persistent currents.

Nous proposons dans ces travaux, une solution aux problèmes de longue date posés par le control sans capteur d’une machine électrique. Cette solution consiste à élaborer un contrôleur asymptotiquement stable qui régule la vitesse du moteur en mesurant uniquement les coordonnées électriques. Nous l’avons appliqué à un moteur synchrone à aimant permanent non saillant, perturbé par un couple de charge constant non connu. Le schéma proposé est un observateur non linéaire d’ordre 4, basé sur le control qui ne dépend pas d’opérations non robustes intrinsèques au système, comme l’intégration de boucle ouverte à un système dynamique et ce schéma peut être facilement intégrée en temps réel. Le contrôleur est facile à commander par l’ajustement du gain qui détermine directement le taux de convergence de la position et de la vitesse et charge le couple d’observateurs. Les simulations et les résultats expérimentaux mettent en évidences les bonnes performances ainsi que la robustesse des paramètres d’incertitudes du schéma que nous proposons. La comparaison par simulation avec un contrôleur sans capteur à champ orienté présenté récemment dans la littérature, a également été effectuée. La thèse se termine par des remarques de conclusion et des propositions de sujet de recherche s’inscrivant dans la continuité de ces travaux. / A solution to the longstanding problem of sensorless control of an electrical machine is provided in this work. That is, the construction of an asymptotically stable controller that regulates the mechanical speed of the motor, measuring only the electrical coordinates. The result is presented for a non-salient permanent magnet synchronous motor perturbed by an unknown constant load torque. The proposed scheme is a fourth order nonlinear observer-based controller that does not rely on-intrinsically nonrobust-operations like open-loop integration of the systems dynamical model nor signal differentiation, and can be easily implemented in real time. The controller is easy to commission, with the tuning gains directly determining the convergence rates of the position, speed and load torque observers. Simulation and experimental results that illustrate the good performance, as well as the robustness to parameter uncertainty, of the scheme are presented. A simulated comparison with a sensorless field-oriented controller, recently proposed in the drives literature, is also carried out. The thesis is closed with some concluding remarks and some potential research topics generated from this work.

Un nouveau concept d'onduleur courte période et fort champ a été proposé par Toru Hara à SPring-8 en 2004 : l'onduleur cryogénique à aimants permanents (CPMU). Il s'agit de refroidir des aimants Néodyme-Fer-Bore autour de 150 K. Cela permet d'utiliser ces aimants qui ont une rémanence jusqu'à 40% supérieure à celle des aimants utilisés conventionnellement dans les onduleurs. Pour évaluer les difficultés technologiques et la faisabilité de tels onduleurs, un CPMU de 2 m de long et de 18 mm de période a été lancé à l'ESRF. Ce travail présente le design et la réalisation du CPMU à l'ESRF. Un modèle magnétostatique du CPMU est présenté, il est basé sur des mesures de courbe d'aimantation à température cryogénique réalisées au laboratoire Louis Néel. Le modèle prévoit une augmentation du champ crête de l'onduleur de 8% autour de 150 K et de l'intégrale de champ de 20 Gcm. Un banc de mesure magnétique spécifique a également été développé à l'ESRF. Ce banc permet la mesure du champ local et des intégrales de champ sous vide. Son design et sa construction sont revus. Finalement les mesures magnétiques réalisées à température ambiante et à température cryogénique sont présentées. Ces mesures valident le modèle magnétostatique et les performances attendues.

Les différents accords environnementaux interdisent l'utilisation de fluides frigorigènes usuels (protocole de Montréal : FC et HCFC et protocole de Kyoto : HFC). Il est donc pertinent de mener, parallèlement aux travaux actuels sur les nouveaux fluides frigorifiques, des recherches de nouvelles solutions de production du froid assurant une haute efficacité énergétique et un faible impact environnemental. La réfrigération magnétique constitue une des solutions. Cette technologie est basée sur l'effet magnétocalorique (EMC), une propriété intrinsèque de certains matériaux magnétiques. Compte tenu de cette activité de recherche novatrice, nous avons opté pour une approche globale dans laquelle nous avons essayé de maîtriser les différents aspects de cette technologie : du principe physique à l'application. Pour ce faire, un ensemble d'outils d'aide à la compréhension et à la conception ont été développés et exploités pour le dimensionnement d'un dispositif rotatif à aimants permanents de réfrigération magnétique.

On étudie l'influence du désordre et de l'interaction sur les courants permanents dans des anneaux unidimensionnels d'électrons fortement corrélés modélisés par l'hamiltonien de Hubbard-Anderson. L'outil numérique DMRG est utilisé afin de calculer les énergies des états fondamentaux à N corps pour des conditions de bord périodique et antipériodique, ce qui permet d'obtenir la raideur de charge qui est une mesure du courant permanent. Pour des désordres non nuls, on trouve une augmentation des courants permanents quel que soit le remplissage pour des valeurs modérées de l'interaction pour un nombre pair d'électrons. Ce comportement est qualitativement différent de celui obtenu pour des fermions sans spin, ce qui confirme l'influence du spin dans la hausse des courants permanents. L'étude de la longueur de localisation à demi-remplissage permet de confirmer cet effet délocalisant et de l'extrapoler vers des systèmes plus grands. Dans la limite des interactions fortes, la raideur de charge décroît lorsque l'interaction augmente. On trouve deux lois de décroissance différentes avec l'interaction si on est à demi-remplissage ou en dehors. A demi-remplissage seulement, pour de fortes interactions, le désordre fait augmenter le courant permanent. Ce phénomène inattendu est confirmé par le comportement de la longueur de localisation et persiste pour des systèmes plus grands. Dans un calcul analytique, le terme cinétique de l'hamiltonien est traité en perturbation afin de calculer les corrections à l'énergie et la sensitivité de phase. On retrouve les lois de décroissance dans la limite des fortes interactions. Un développement limité par rapport au désordre est effectué et permet de trouver une dépendance de la sensitivité de phase avec le désordre. A demi-remplissage, ceci confirme que le désordre fait augmenter les courants permanents.

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.

La machine synchrone à aimants permanents, comparée aux autres machines électriques, est très présente dans les applications industrielles de type contrôle de mouvement, et ceci en raison de sa compacité, sa faible inertie, son rendement, sa robustesse, sa puissance massique élevée et sa simplicité de commande avec capteur mécanique. Cependant, la commande sans capteur de cette machine est toujours un problème difficile à cause des problèmes de perte d'observabilité. Le but de cette thèse est de proposer des lois de commande sans capteur mécanique pour la machine synchrone à aimants permanents. Plusieurs observateurs dont deux à modes glissants d'ordre un (un basé sur la F.E.M. et l'autre basé sur le modèle complet), un observateur super twisting et un observateur adaptatif interconnecté ont été élaborés. Plusieurs lois de commande non linéaire ont été conçues : de type modes glissants d'ordre supérieur à trajectoire pré-calculée, de type backstepping et de type mode glissant d'ordre supérieur quasi-continue. La stabilité globale de l'ensemble " Commande+Observateur " de chaque cas a été montrée. Chaque cas a été validé sur le benchmark "Commande sans capteur mécanique" du groupe de travail inter-GDR " Commande des Systèmes Électriques ".

Les dispositifs innovants étudiés dans cette thèse se caractérisent par les principes communs suivant : - ce sont des machines synchrones hybrides dont le champ d'excitation est créé par des aimants permanents situés sur le même ensemble que le bobinage induit. - donc l'autre partie est passive. - La variation du flux d'induction à travers les bobinages induits est obtenue par commutation du flux des aimants permanents à l'aide des pièces polaires de la partie passive. Deux autres caractéristiques sont utilisée chaque fois que possible : - Bobinage induit global, c'est-à-dire pouvant enlacer plusieurs pôles, constitué d'un simple solénoïde permettant un excellent coefficient de bobinage et une grande facilité de réalisation et de montage. - Fonctionnement possible en monophasé grâce à un pré-positionnement adéquat à l'arrêt. Parmi nos réalisations utilisant ces principes, nous pouvons distinguer les dispositifs de machines tournantes et linéaires. Les actionneurs linéaires sont modulaires, possèdent un rail entièrement passif et peuvent être économiques. L'auto pilotage peut être soit électronique avec ou sans capteur, soit électromécanique. Les machines tournantes possèdent des caractéristiques spécifiques. Elles peuvent être par exemple très rapides (> 50.000 tr/mn) ou miniatures (diamètre <10mm). Des modélisations analytiques et numériques ont permis une bonne compréhension du principe de ces structures et de leur conception. Nous avons mis au point une méthode rapide de modélisation de nos structures associant le calcul analytique et numérique par éléments finis en régime non linéaire. Les expérimentations ont montré des résultats intéressant compte tenue de la simplicité des machines.

Le nanomagnétisme est actuellement un champ d'investigation très actif grâce aux développements de méthodes de synthèse et d'investigation originales. Cette thèse s'attache à sonder le magnétisme de nanofils magnétiques synthétisés par un procédé polyol. Ce procédé présente l'avantage de fournir un large éventail d'objets magnétiques anisotropes présentant une très bonne qualité cristalline. Les nanofils ainsi synthétisés présentent des diamètres variant de 7nm à 20nm, leur conférant un mode de renversement de l'aimantation cohérent. Cette thèse montre que les nanofils ainsi synthétisés ont des coercivités élevées comparées à celles de nanofils synthétisés par d'autres voies. Par ailleurs, les effets de l'oxydation de ces nanofils sur leurs propriétés magnétiques ont été étudiés. Les mesures magnétiques ont révélé une dépendance en température des champs d'échange et coercitif non reportée jusqu'à présent dans la littérature. Cela a permis de mettre en lumière le rôle prépondérant des fluctuations superparamagnétiques des grains antiferromagnétiques d'oxyde de cobalt dans le phénomène d'Exchange Bias. Enfin, cette thèse a aussi eu pour objectif de développer la technique de Diffusion de Neutrons Polarisés aux Petits Angles pour sonder le magnétisme de nanofils. Jusqu'à présent, cette technique a été surtout réservée à l'étude d'objets magnétiques isotropes. En effet, l'alignement des nanofils est crucial pour extraire des informations quantitatives d'une telle étude. C'est pour cela, qu'outre les nanofils synthétisés par procédé polyol, des nanofils inclus dans des matrices d'alumine poreuse ont aussi été étudiés par cette technique. Cette étude a ainsi montré la nécessité de prendre en compte le champ dipolaire- habituellement négligé- dans l'analyse des figures de diffusion.

L'évolution des micro systèmes est en plein essor. Le développement de micromoteurs en constitue l'un des principaux axes actuels de recherche. Si les premiers micro moteurs étaient électrostatiques, les micromoteurs électromagnétiques ont récemment attiré l'attention de nombreux chercheurs. Le micromoteur asynchrone a pourtant connu une critique assez défavorable de la part de nombre de chercheurs. Sa fabrication - supposée forcément tridimensionnelle, donc complexe - et sa performance mécanique - estimée simplement insuffisante - sont à l'origine de ce mépris généralisé. Un problème supplémentaire qui défavorise la performance des micromachines est la réduction d'échelle, car elle entraîne une considérable augmentation relative dans leurs frottements, au point même d'empêcher leur fonctionnement. Afin de réduire les pertes dues aux frottements, une étude et une analyse de paliers magnétiques passifs miniatures sont proposées. Plusieurs prototypes illustrent cette approche. Dans le cadre de la validation de prototypes de taille millimétrique, cette thèse s'est orientée sur l'étude du micromoteur asynchrone. Un premier prototype, à géométrie planaire et de dimensions 0 18 mm x h 2 mm, a été fabriqué. Le micromoteur intègre une suspension magnétique passive à aimants permanents. Ce moteur a atteint 4500 tr/min en développant un couple de 1,2 flNm.