Trois problèmes liés a la modélisation des fils dans des circuits intégrés sont considérés : (i) calcul rapide et efficace pour l'inductance mutuelle, en utilisant l'approximation dipölaire ; (ii) expansion compacte distributions des courants non uniformes dans des conducteurs aux hautes fréquences, en termes de modes de conduction ; et (iii) représentation précise du comportement en fréquence de la résistance et de l'inductance avec des paramètres de circuit constants, sous forme de paires Foster. Nous proposons et mettons en pratique des solutions et des optimisations pour ces trois problèmes, sur la base des arguments physiques simples. Chacun des trois problèmes est intégré dans les outils de l'extraction de Mentor Graphics.

Du fait de leurs fortes propriétés non-linéaires, les structures photoniques semi-conductrices sont très intéressantes pour le traitement tout-optique du signal. La structuration à petite échelle permet de localiser la lumière et donc d'exalter les phénomènes non-linéaires, mais avec un pouvoir d'exaltation différent suivant l'ordre de la non-linéarité, introduisant ainsi une nouvelle hiérarchie des régimes d'interaction. Après une description théorique présentant le renforcement des processus non- linéaires par la localisation dans les semi-conducteurs, nous démontrons expérimentalement et quantitativement, pour la première fois, l'influence de la localisation sur l'exaltation des non- linéarités telles que l'effet Kerr, l'absorption à deux photons et les effets de porteurs libres, par l'étude d'un guide à cristal photonique de GaAs. Nous résolvons le problème de l'amplification Raman d'impulsions dans un nanoguide de silicium, en développant un modèle analytique permettant de montrer l'influence des effets de modulation de la phase non-linéaire sur la chute du gain Raman effectif dans le silicium. Ce modèle est validé expérimentalement. Finalement, nous abordons l'application de la localisation à la commutation non- linéaire tout-optique. Nous introduisons la notion de longueurs non-linéaire de commutation et d'absorption permettant d'étudier différents matériaux. Nous montrons que la commutation par effet Kerr pur est impossible pour le Si et le GaAs (contrairement à l'AlGaAs et au GaN), mais qu'une commutation par effet de porteurs libres y est envisageable pour certaines géométries de microstructures.

Le graphène est un plan unique d'atomes de carbone formant une structure en nid d'abeilles. Dans le cas idéal, le graphène possède des propriétés physiques étonnantes, comme une structure électronique en " cône de Dirac ". Depuis 2004, il est connu qu'on peut obtenir ce matériau bidimensionnel à partir de la graphitisation du carbure de silicium (SiC). Sur la base de calculs ab initio et d'expériences de microscopie à effet tunnel (STM), nous avons entrepris de sonder les propriétés électroniques et structurales du graphène sur SiC et de déterminer en quoi elles sont similaires ou au contraire différentes du graphène idéal. Ce manuscrit commence par une introduction générale sur la thématique du graphène et se poursuit par une description des deux méthodes utilisées durant ce travail. Il vient ensuite l'exposé de nos résultats obtenus pour le graphène sur la face terminée Si et celle terminée C des polytypes hexagonaux du SiC. Nous avons montré notamment que le premier plan de carbone généré sur la face terminée Si se comporte comme un plan tampon, lequel permet aux autres plans qui le recouvrent d'avoir une structure électronique de type monoplan/multiplan de graphène. D'autres aspects liés à la nature complexe de l'interface comme la présence d'états localisés ou l'existence d'une forte structuration du plan tampon sont également discutés. Pour une surface terminée C suffisamment graphitisée, nos travaux révèlent l'existence d'un désordre rotationnel entre les plans de graphène successifs qui se manifeste sous forme de Moiré sur les images STM. Nous montrons par des calculs ab initio qu'une simple rotation permet de découpler électroniquement les plans de graphène.

L'expérience qui fait l'objet de cette thèse s'inscrit dans un contexte d'évolution de la recherche en physique atomique vers le développement de systèmes miniaturisés pour la génération et la manipulation d'ondes de matière cohérentes. Il s'agit de la réalisation d'un condensat de Bose-Einstein d'un gaz dilué d'atomes de 87Rb piégés par le champ magnétique d'une microstructure. Dans notre cas, cette microstructure, ou puce, est constituée de fils d'or de dimensions micrométriques, déposés sur un substrat de silicium par lithographie optique. Expérimentalement, les atomes désorbés par un filament de rubidium sont chargés et refroidis dans un piège magnéto-optique dont le champ magnétique est créé par des bobines macroscopiques extérieures au système à vide. Le nuage est ensuite transféré dans un second piège magnéto-optique proche de la surface de la puce, et dont le champ magnétique quadrupolaire est généré en partie par un fil microfabriqué en forme de U. Un second transfert place les atomes dans un piège magnétique de type Ioffe-Pritchard utilisant le champ magnétique créé par un deuxième fil en forme de Z. L'échantillon piégé magnétiquement proche de la surface de la puce est alors refroidi par évaporation radio-fréquence jusqu'à atteindre la condensation de Bose-Einstein. Lorsqu'on approche le nuage d'atomes froids de la surface des fils, celui-ci se fragmente. Ce phénomène traduit une rugosité du potentiel de piégeage due à l'inhomogénéïté de la densité de courant dans le microfil en Z. Ce manuscrit présente la réalisation de cette expérience dans son intégralité, des motivations initiales aux résultats expérimentaux obtenus, et décrit l'ensemble des choix technologiques que nous avons effectués pour concevoir ce dispositif et parvenir à ces résultats.

Ce travail théorique est consacré à l'étude du transport électronique dans les nanostructures. Nous nous sommes placés dans le cadre des approches de Landauer et post-Landauer. Dans celles-ci, la bonne description du problème de transport réside dans le calcul des self-énergies, censées décrire les effets de résistance de contact ainsi que les interations dans le dispositif. Dans ce travail, nous nous sommes tour à tour intéressés à ces deux aspects. Afin de décrire les mécanismes de résistance de contact, nous avons développé une méthode basée sur la notion de canaux effectifs de conduction. Le calcul de ces canaux par récursion matricielle, associé à la dérivation d'une nouvelle formule de la conductance, permet la détermination exacte des effets des contacts. Nous avons de plus mis au point une méthodologie \textit{ab initio}, permettant d'inclure les interactions électron-électron dans le transport quantique, au travers de l'approximation $GW$ d'Hedin sur la self-énergie. La seconde partie de ce travail porte sur l'analyse des propriétés de transport du graphène. Nous avons tout d'abord expliqué les caractéristiques expérimentales de magnéto-résistance du graphène épitaxié par un mécanisme consécutif à la juxtaposition de plans. Enfin, nous avons calculé la conductance de dispositifs composés de nanostructures de graphène. Nous avons montré que de telles structures présentent de forts effets de résistance de contact, pouvant s'interpréter en termes de diffraction d'électrons. Nous avons alors introduit la notion de barrière de diffraction, qui permet d'extraire les caractéristiques de conductance, sans procéder à un calcul de structure électronique.

Dans le cadre de cette thèse, je me suis intéressé à la variabilité de l'ozone et des aérosols troposphériques en région méditerranéenne, plus précisément aux processus de transport qui pilotent cette variabilité et aux impacts radiatifs des aérosols des feux de biomasse. L'analyse de la campagne STAAARTE Hellen 96, première campagne aéroportée en Grèce, a permis d'établir que la variabilité de l'ozone dans cette région est pilotée en premier lieu par le transport à longue distance (Europe occidentale, Afrique du nord et haute troposphère), puis modulée par les émissions locales. Ensuite, l'analyse de la campagne Pic 2005, effectuée dans les Pyrénées françaises, a permis de discuter la représentativité de l'ozone au niveau de la station d'haute altitude du Pic du Midi, plus précisément d'estimer l'influence exercée par l'apport de masses d'air issues de la couche limite rurale par les brises orographiques estivales qui se développent dans la journée. A l'échelle de quelques heures, on observe souvent en été des écarts de l'ordre de 10 ppb entre l'ozone mesuré au Pic du Midi et la troposphère libre, écarts qui s'expliquent par le transport depuis la couche limite et le mélange de ces masses d'air avec la troposphère libre. La mesure en altitude au niveau du Pic du Midi est alors influencée à hauteur de 20 à 50% par la couche limite. Enfin, on a cherché à estimer l'impact radiatif des couches d'aérosols des feux de biomasse en utilisant d'une part les mesures d'une campagne d'étude du transport intercontinental de la pollution (ITOP 2004), d'autre part les observations successives effectuées par CALIPSO des incendies au sud de la Grèce en août 2007.

L'apparition de structures spatiales est un phénomène universel. En optique non linéaire, générer des structures transverses et contrôler leur dynamique est important non seulement d'un point de vue fondamental mais aussi d'un point de vue des applications. Ce travail de thèse s'inscrit dans cette logique de caractérisation et manipulation des structures spatiales optiques, engendrées dans une expérience de valve à cristaux liquides. Une première partie est consacrée aux effets de forçages spatiaux sur la propagation de fronts, induits avec un modulateur spatial de lumière. Une étude unidimensionnelle, incluant des comparaisons avec des modèles analytiques et des résultats numériques, montre l'existence d'une région d'agrafage à l'intérieur de laquelle des états localisés de taille différente peuvent être générés. Une extension à deux dimensions est aussi présentée pour différentes géométries du forçage spatial. La seconde partie s'intéresse aux effets d'une rétroaction non locale sur les structures localisées, apparaissant en présence simultanée de diffraction et d'interférence de polarisation. Dans le cas d'un effet de translation, un phénomène d'advection des structures est observé, associé à l'apparition de singularités de phase dans leur sillage. Au-delà d'un certain taux de translation, un autre régime est atteint avec une périodicité le long de la direction de translation. Dans le cas où rotation et translation sont présentes simultanément, les modes d'auto-organisation des structures localisées présentent des analogies avec certains modes de croissance des végétaux. L'influence des différents paramètres, dont la rotation, est caractérisée sur les motifs obtenus.

Elisa est un oscillateur saphir cryogénique (CSO) dont la vocation est d'équiper la nouvelle station sol de l'ESA. Les performances requises sont une stabilité de fréquence σy (τ) ≤ 3 × 10−15 pour τ ∈ [1 − 1000 s] et un bruit de phase Sφ (1 Hz) = −93 dB.rad2 /Hz pour une autonomie de 2 ans. Cette référence de fréquence doit également possèder des sorties aux fréquences de 10 GHz, 100 MHz et 5 MHz pilotées par le CSO. Elisa intègre dans une boucle d'entretien un résonateur saphir (Al2 O3 ) excité sur des modes de galeries (WG) et refroidi à 4,2 K dans un cryogénérateur. A cette température, le facteur de qualité à vide peut atteindre 1 × 109 . Le mode opérationnel W GH15,0,0 a été choisi par rapport à notre savoir-faire et à la littérature. Sa fréquence de résonance a été fixée à 10GHz - D où D est un “intervalle de confiance” égal à 10 MHz. La fréquence de 10 GHz est suffisament éloignée des fréquences de transition des ions paramagnétiques présents dans le cristal de saphir et l'écart de fréquence D permet de faire face aux tolérances d'usinage. D peut être compensé par l'intermédiaire d'un “Direct Digital Synthesizer” intégré dans le chaîne de synthèse pour atteindre 10 GHz. Les dimensions du cylindre de saphir ont été calculées par la méthode des éléments finis. Après avoir validé les caractéristiques du résonateur, différentes méthodes de couplage ont été expérimentées dans le but d'atteindre une sélection modale performante. Tous les éléments nécessaire à la construction d'Elisa sont analysés en détails. Une méthode originale de mesure de bruit d'amplitude de détecteurs quadratiques, l'étude d'électroniques faibles bruits, le principe d'une chaîne de synthèse sur base d'un DDS et la description de deux technologies cryogéniques sont présentées. Pour ces dernières, nous avons focalisé notre étude sur un modèle de cryogénérateur à faible vibration mécanique. Les performances démontrées par Elisa satisfont le cahier des charges de l'ESA. Une stabilité de fréquence inférieure à 3 × 10−15 a été mesurée pour τ ∈ [1 − 1000 s]. Elle atteint 1, 4 × 10−15 à τ = 20 s. La mesure de bruit de phase montre Sφ (1 Hz) = −98 dB.rad2 /Hz. La chaîne de synthèse permet le tranfert des performances du CSO aux fréquences de 10 GHz et 100 MHz. La stabilité journalière de 4, 5 × 10−15 place Elisa à l'état-de-l'art.

Ce travail de thèse constitue une contribution théorique et expérimentale aux études sur les cristaux photoniques et leur utilisation en optique non linéaire. Dans ce travail, nous avons étudié les propriétés de dispersion de ces cristaux afin de les utiliser dans des structures en matériaux présentant de grandes non linéarités optiques. Des modélisations ont été effectués dans des structures à 1D d'épaisseur finie pour étudier facilement l'influence des divers paramètres et ont permis de dimensionner une structure guidante gravée dans une couche de GaN déposée sur saphir pour l'exaltation de la génération de la seconde harmonique : une ébauche de réalisation est présentée. Des techniques non destructives de couplage par la surface- ellipsométrie spectroscopique et spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier (s-FTIR)- ont été utilisées pour caractériser des cristaux photoniques 2D réalisés dans des substrats de SOI. Aux grandes longueurs d'ondes, elles nous ont permis de déterminer leur facteur de remplissage avec une grande précision. Elles ont également permis de tracer les courbes de dispersion expérimentales des cristaux photoniques, qui se sont trouvées en bon accord avec les courbes théoriques. Les résultats obtenus par ces méthodes et l'analyse des conditions aux limites aux interfaces cristal photonique / guide ont de plus permis de mettre en évidence les modes des cristaux photoniques situés sous le cône de lumière et supposés jusqu'ici invisibles en optique diffractive. Ces techniques permettent de plus de déterminer les meilleures conditions expérimentales (zones de faible vitesse de groupe, de couplage efficace avec des faisceaux excitateurs) pour observer des effets non linéaires renforcés. Nous avons donc montré que l'utilisation de techniques de couplage par la surface, précises et non destructives, permet l'exploration de zones gravées périodiquement et l'étalonnage rapide des différents facteurs à optimiser lors d'un procès de fabrication ou de remplissage des trous de dispositifs photoniques pour l'optique non linéaire.

La création de nouveaux matériaux, aux propriétés souhaitées, peut être obtenue par la combinaison de deux, trois ou plusieurs composants. L´évolution des matériaux, l´amélioration de leurs performances et l´extension de leurs fonctionnalités provoquent ainsi une augmentation de la variété des matériaux disponibles: c´est désormais l´usage qui détermine les propriétés du matériau et non l´inverse.<br />L´ajout de nanoparticules dans un polymère peut entraîner, quantitativement via la nanostructuration du polymère et qualitativement via leurs surfaces réactives, de nouvelles caractéristiques, qui ne se limitent pas à la simple addition des propriétés de chaque composant. Les interactions entre la surface des nanoparticules et les molécules du polymère peuvent être notamment à la base de la formation d´interphases, présentant des propriétés différentes de celles du polymère massif.<br />Afin de comprendre l´influence des nanoparticules dans les propriétés mécaniques, optiques et diélectriques du composite et plus particulièrement dans la création d´interphases, ce travail s´est intéressé à des systèmes composés de particules d´Al2O3 et de SiO2 dans une résine d´époxyde. De tels matériaux, a priori simples, affichent des résultats surprenants présentés dans cette thèse.