Ce travail de thèse traite de la propagation des ondes élastiques dans les milieux granulaires<br />denses sous contrainte. Elles permettent de sonder de manière non invasive la structure, les<br />propriétés viscoélastiques et les comportements non linéaires des réseaux de forces de contact dans<br />un tel milieu. Dans une première partie, nous rappelons quelques résultats concernant la propagation<br />linéaire d'ondes ultrasonores dans les matériaux granulaires (modes effectifs cohérents, diffusion<br />multiple des ondes élastiques). Nous montrons alors comment extraire les modules élastiques à l'aide<br />des ondes cohérentes et la dissipation interne à l'aide des ondes multiplement diffusées. En particulier,<br />l'étude de l'influence de la présence d'un fluide interstitiel en très faible quantité (< 0,1%)<br />et l'influence de l'état de surface des billes, sur les propriétés viscoélastiques de milieux granulaires<br />secs et mouillés, nous permet d'identifier deux mécanismes de dissipation : frictionnelle et visqueuse.<br />Enfin, nous nous intéressons au régime de propagation non linéaire des ondes élastiques dans les<br />milieux granulaires. Après avoir caractérisé expérimentalement l'élasticité non linéaire hertzienne<br />réversible du matériau granulaire par la génération d'harmoniques supérieures, nous discutons un<br />résultat original sur les processus d'interaction irréversibles onde-matière granulaire liés aux non<br />linéarités hystérétiques de type Mindlin entraînant une nette diminution du module élastique du<br />matériau granulaire et des micro-réarrangement à l'échelle des aspérités de grains.

Ce mémoire présente principalement mes activités dans l'expérience Virgo de recherche d'ondes gravitationnelles.<br />Je rappelle cependant dans une courte introduction mes activités dans l'expérience NOMAD et je dresse, dans un premier chapitre,<br />un état des lieux sur la détection des neutrinos. Je décris ensuite, au chapitre 2, l'état actuel de la détection<br />interférométrique des ondes gravitationnelles. Le troisième chapitre, consacré à l'expérience Virgo, est suivi de<br />trois chapitres décrivant les domaines où j'ai apporté une contribution notable à l'expérience : le système d'acquisition<br />de données, la surveillance en ligne du détecteur et la recherche de bruits transitoires dans les données. Enfin,<br />le dernier chapitre, plus général, fait le bilan de mes activités de diffusion de la culture scientifique auprès<br />du grand public et auprès des scolaires.<br /><br />Virgo est un interféromètre de 3 km de long destiné à la détection des ondes gravitationnelles d'origine astrophysique.<br />Ces ondes sont des déformations de l'espace-temps prédites par la relativité générale. Elles provoquent sur Terre<br />d'infimes modifications des distances théoriquement détectables par interférométrie.<br /><br />J'ai contribué à la construction et à la mise en route (commissioning) de l'interféromètre Virgo, depuis 1997,<br />en participant à la conception, à la mise en place puis à l'amélioration de l'acquisition de données.<br />J'ai notamment créé le collecteur de données et fortement contribué au développement de la librairie<br />qui gère le transfert des données au format " frame " dans la chaîne d'acquisition. Cette librairie a permis<br />une grande souplesse des reconfigurations de l'acquisition de données ou des traitements en ligne tout<br />au long du commissioning de Virgo. L'acquisition de données soutient actuellement un flux d'environ 20 MBytes/s<br />(8 MBytes/s après compression) avec une latence moyenne de 2 secondes et une perte de données inférieure à 0.3%.<br /><br />J'ai d'autre part créé un logiciel, le dataDisplay, qui permet de lire les données en ligne ou en différé,<br />de visualiser divers graphiques (données en fonction du temps, spectre, fonction de cohérence, fonction de transfert,<br />distributions 1D ou 2D, spectrogrammes, etc...) et d'écouter les données. Ce logiciel utilise une interface graphique<br />générée par la librairie Xforms et une visualisation basée sur la librairie Root développée au CERN. Le dataDisplay<br />est aujourd'hui utilisé de façon standard par la collaboration Virgo, que ce soit en salle de contrôle pour la<br />surveillance en ligne du détecteur ou en différé pour l'analyse des données enregistrées.<br /><br />Je participe également à la mise en place de la qualification des données du détecteur Virgo, en fournissant notamment<br />les outils logiciels qui permettent de configurer de façon simple les algorithmes de surveillance en ligne du<br />détecteur et de son environnement. De plus, je contribue à la recherche de bruits transitoires (glitches) et j'ai<br />la responsabilité de la mise en lignes des algorithmes d'étude du bruit du détecteur. Ce travail est motivé par<br />le fait que la compréhension du détecteur est un préliminaire nécessaire à toute future recherche d'ondes gravitationnelles.<br /><br />Enfin, depuis de nombreuses années je me suis intéressé à la diffusion de la culture scientifique, et j'ai été, de 2002 à 2007,<br />chargé de communication au LAPP. Dans ce cadre, j'ai établi des contacts avec les établissements scolaires, les structures<br />associatives ou les collectivités locales afin de promouvoir la curiosité pour les sciences et la démarche scientifique.<br />Par divers moyens (conférences dans les lycées, organisation de visites de classes au LAPP s'appuyant sur la mise en place<br />d'une exposition permanente, conférences grand public, participation aux Portes Ouvertes du laboratoire, création de pages web...),<br />j'ai tenté d'intéresser le jeune public aux sciences, de faire comprendre ce qu'est la recherche scientifique et de montrer<br />quels sont ses liens avec la vie quotidienne.

Parmi les objets nanométriques les plus importants figurent les nanofils, qui peuvent<br />être utilisés soit comme coeur d'un dispositif, soit comme élément d'adressage d'un autre<br />nano-objet. Cette thèse explore deux voies de fabrication de nanofils.<br />La première concerne un procédé d'écriture directe de motifs d'or de dimension<br />nanométrique, par transfert d'atomes depuis une pointe STM vers la surface. Des lignes d'or<br />de largeur 15 nm, d'épaisseur 3 nm et de longueur 300 nm ont pu être tracées sur une surface<br />de silicium.<br />La seconde voie concerne un procédé de fabrication de nanofils de silicium (SiNWs)<br />par décomposition thermique du silane (SiH4) sur une surface recouverte d'agrégats d'or, par<br />la technique VLS (Vapor Liquid Solid). Deux moyens de chauffage ont été utilisés pour<br />forcer la croissance horizontale des fils à partir d'une électrode prédéposée sur une surface<br />isolante. Dans un premier temps, la surface a été chauffée sous l'impact d'un faisceau laser<br />continu focalisé, pour induire localement un fort gradient thermique latéral sur une zone de<br />diamètre 3 μm. Dans un second temps, la croissance des nanofils de Si a été forcée à partir de<br />lignes de tungstène sub-microniques chauffées par effet Joule, par passage d'un courant de<br />forte densité.<br />Les mécanismes de croissance sont discutés.

Le phénomène d'ébullition, d'un point de vue énergétique, présente un réel enjeu dans de nombreux domaines. Ce mémoire, à caractère expérimental, traite du cas d'une bulle de vapeur unique générée sous un élément chauffant, ce qui permet de maîtriser la croissance jusqu'à des tailles importantes. Deux techniques, optique (traitement d'image) et thermique (fluxmètre, thermocouples), sont mises en œuvre simultanément. La première partie du mémoire traite des transferts de chaleur et de masse dans le cas d'un liquide (FC-72) dégazé. L'influence de différents paramètres significatifs (puissance de chauffe, niveau de sous refroidissement, inclinaison) sur le phénomène d'ébullition est étudiée grâce à une expérimentation systématique. La dynamique de la bulle, dans la configuration retenue, est analysée et conduit à une loi de croissance en tn, où l'exposant « n » est uniquement fonction des paramètres thermiques. Le flux lié au changement de phase est quantifié et ne contribue que faiblement à l'amélioration des échanges de chaleur en ébullition. Il existe une corrélation évidente entre les transferts de chaleur et la fréquence d'émission des bulles de vapeur. L'augmentation de cette dernière améliore les transferts. La seconde partie du mémoire traite des écoulements de liquide autour de la bulle de vapeur. Ceux-ci, d'origine thermocapillaire (convection Marangoni), n'apparaissent que dans le cas d'un fluide non dégazé et résultent de la présence de gaz incondensables dissous dans le FC-72. Les différents régimes d'écoulement (stationnaire et oscillatoire) sont mis en évidence et la courbe limite de transition entre ces deux régimes est définie. Les différents résultats obtenus ont permis de valider l'utilisation du fluxmètre thermique, outil de mesure original.

Les vésicules géantes sont souvent utilisées comme modèles des membranes cellulaires. On a ici examiné :<br />1. leur adhésion spécifique via deux « colles moléculaires » :<br />– colle faible : fragments terminaux EC12 de E-cadhréine. Cette protéine<br />est impliquée dans la formation de tissus et dans de nombreux phénomènes<br />cancéreux. L'analyse statistique de l'adhésion bicouche supportée/vésicule<br />décorées par EC12 montre qu'existe une adhésion faible sensible au calcium et à une mutation des fragments ;<br />– colle forte : couple streptavidine/biotine. Lors de l'adhésion sur une bi-couche supportée, la tension de la vésicule joue fortement sur la morphologie du contact et sa cinétique.<br />2. la dynamique de pores transitoires (dus à une mise sous tension par éclairement<br />intense), en présence de tensioactif capable de s'insérer à leur bord. La tension de ligne en fonction de la concentration en tensioactif est un isotherme 1D, analysé en termes d'excès de ligne et d'énergie d'adsorption du tensioactif.

Cette thèse en cotutelle résulte de la collaboration entre le laboratoire français GREMI (Orléans) et le groupe australien SP3 (Université National Australienne) sur l'optimisation des piles à combustible par procédé plasma. Mon projet d'étude concerne le développement d'une électrode de pile à combustible constituée d'une nanostructure carbonée imprégnée d'agrégats de catalyseur platine, l'enjeu étant de réduire la quantité de platine tout en conservant de bonnes performances électrochimiques. Durant la première partie passée en France, des électrodes traditionnelles non catalysées ont été imprégnées d'agrégats de platine sur quelques centaines de nanomètres par pulvérisation plasma. Cette méthode a permis de réduire considérablement la charge de platine par rapport à une électrode traditionnelle catalysée chimiquement tout en réduisant légèrement ses performances. La seconde moitié de ma thèse en Australie concerna la croissance d'un support catalytique carboné de grande surface spécifique optimisé pour l'application pile à combustible. Des nanofibres de carbone (CNF) ont donc été déposées sur du papier de carbone recouvert d'une fine couche de nickel en utilisant un procédé CVD (Chemical Vapor Deposition) dans un réacteur plasma Helicon que j'ai conçu et développé. La morphologie des CNF a été caractérisée et optimisée en fonction des paramètres plasmas. Ce tapis de CNF a été imprégné d'agrégats de platine par pulvérisation plasma Helicon. Dans cette nouvelle électrode entièrement réalisée par plasma, le catalyseur dispersé est cette fois réparti sur quelques micromètres ce qui permettra d'augmenter les performances électriques de la pile.

L'optique quantique multi-mode spatiale, encore appelée « imagerie quantique », permet d'étudier la détection d'un paramètre physique quelconque au sein d'une image optique. Nous considérons en particulier la mesure de déplacement transverse d'un faisceau laser et la détection d'une séquence de bits gravée sur un disque optique. <br />De telles mesures sont ultimement limitées par la nature quantique de l'image optique considérée. Néanmoins, l'utilisation d'un faisceau non classique permet de réduire les fluctuations de mesure sous cette limite fondamentale. <br />A ce titre, nous présentons des mesures de nano-déplacements d'un faisceau laser, ainsi que l'intrication des variables conjuguées : position et inclinaison du faisceau. Ces expériences nous ont amenés à introduire l'ensemble des composants élémentaires requis en imagerie quantique.<br />L'utilisation de lumière multi-mode comme support multi-canal d'information quantique est également détaillée.

Les réponses statiques et dynamiques associées aux phonons et aux phasons sont<br />comparées dans des quasicristaux de symétrie icosaédrique et dans leurs approximants 1/1<br />cubiques. Quasicristaux et approximants partagent un même ordre local caractérisé par des amas<br />atomiques icosaédriques de grande taille (diamètre ~ 1.6 nm). L'ordre à longue portée est<br />quasipériodique dans le quasicristal alors que périodique dans l'approximant. Les phasons sont de<br />nouveaux modes hydrodynamiques induits par la quasipériodicité. Les phonons existent dans le<br />quasicristal et dans l'approximant.<br />Nous avons mesuré la distribution de l'intensité diffuse autour des pics de Bragg dans la<br />phase approximante Zn-Sc et dans les phases quasicristallines i-Zn-X-Sc (X = Mg, Ag, Co). Dans<br />la phase Zn-Sc, la diffusion diffuse thermique due aux phonons est seule observée. Dans les phases<br />i-Zn-X-Sc, il y a un signal diffus supplémentaire dû aux phasons. Les constantes élastiques de<br />phason déterminées varient avec la nature de l'élément X.<br />La dynamique des phasons est étudiée en diffusion cohérente des rayons X dans la phase i-<br />Al-Pd-Mn. Les phasons sont activés au-dessus de 600°C. La dynamique est diffusive avec, à<br />650°C, des temps de relaxation de 100 s une longueur d'onde des modes de 90 nm.<br />La dynamique des phonons est mesurée dans les phases i-Zn-Mg-Sc et 1/1-Zn-Sc puis dans<br />les phases i-Cd-Yb et 1/1-Cd-Yb en diffusions inélastiques des neutrons et des rayons X. Les<br />facteurs de structure dynamiques sont similaires dans le quasicristal et son approximant ce qui<br />révèle l'importance de l'ordre local sur la réponse dynamique des modes de vibration dans ces<br />structures. Des différences sont néanmoins observées.

Nous avons étudié l'action à l'échelle mésoscopique de la présence d'un supraconducteur sur la conductance d'un circuit de métal normal. Après une discussion de différentes théories concernant ce sujet, nous présentons des mesures à très basse température (20 mK) mettant en évidence l'action non locale de la supraconductivité sur la conductance métallique. Nous montrons que la conductance du métal normal est alors fortement dépendante de l'énergie des électrons, l'énergie caractéristique étant l'énergie de Thouless. Une expérience d'interférence effectuée dans la configuration Aharonov-Bohm met en évidence la portée de la cohérence quantique de paires d'électrons dans le métal normal. Nous effectuons une comparaison détaillée avec la théorie des fonctions de Green quasiclassiques. Cette comparaison met en évidence le rôle important joué par les parties extérieures de l'échantillon qui constituent les réservoirs. Nous présentons une technique originale de fabrication d'échantillons mésoscopiques hybrides de Niobium et de Cuivre. De plus, afin de pouvoir contrôler la formation des barrières tunnel, nous avons développé une vanne permettant de maîtriser l'entrée, dans un enceinte à Ultra-Vide, d'oxygène pur à partir de l'air. Nous décrivons un programme écrit en langage C++, qui permet de calculer la conductance d'un circuit hybride quelconque composé de métal normal et de supraconducteur. Dans le cas où deux supraconducteurs sont présents à des tensions différentes, l'effet Josephson alternatif module la densité d'états dans le métal normal. Nous présentons une expérience, en cours de développement, visant à mesurer les effets de ces variations de la densité d'états sur le transport.

L'isolant électrique est un élément essentiel des composants électroniques. Or, à cause des défauts présents dans l'isolant, des dysfonctionnements apparaissent dans les équipements électroniques provoquant des problèmes de fiabilité. Il est donc essentiel de quantifier et d'identifier la nature des charges d'espaces crées par ces défauts. Pour des raisons de miniaturisation des composants, les techniques de caractérisations actuelles semblent montrer leurs limites. La méthode de l'onde thermique permet de quantifier et de donner la répartition de la charge d'espace sur une forte épaisseur de diélectrique. L'adaptabilité de la méthode pour des couches diélectriques beaucoup plus minces ainsi que l'étude des résultats obtenus constitue l'essentiel du travail de cette thèse. La méthode proposée permet de donner les tensions caractéristiques de la structure MOS tout en effectuant une analyse en régime statique de la structure.