Aluminium alloys have the possibility to be infinitely recycled. By only generating 5% of the emissions compared to primary aluminium, great CO2 savings can be made. One of the issues in manufacturing components entirely from post-consumer scrap is the presence of trace elements and impurities. Such elements can be Fe, Cu, Cr, P and Pb. In sheet metal manufacturing, these elements can also react with process agents such as Ti, B, Na and Sr and affect the recrystallization behavior and in turn mechanical properties.In this work, a derivative of the 3003 alloy made entirely from post-consumer scrap has been analysed. The alloy achieved insufficient formability due to lack of recrystallization and grain growth. With the use of scanning electron microscopy (SEM) equipped with energy dispersive spectroscopy (EDS) and electron backscatter diffraction (EBSD) together with focused ion beam (FIB) lamella preparation, the microstructure was characterized.The characterization shows both larger particles of α-Al15Si2M4 (M=Mn,Fe,Cr) from solidification and dispersoids from heat treatment, pinning the grain boundary movement together with Q-AlCuMgSi. With the use of high throughput computational thermodynamics, Thermo-Calc was used to effectively screen compositions lowering the amount of α-Al15Si2M4 and removing the Q-AlCuMgSi phase. The new alloy was cast using directional solidification at different cooling rates to study the particle morphology, which in turn plays a role in the particle break up and distribution during cold working as the interparticle spacing affects the grain growth.Varying cooling rates was seen to affect morphology and distribution. Hot compression was utilized to examine the particle redistribution before cold work. It was however shown that hot compression was not sufficient in redistributing the particles as would be the case in rolling.

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Twist plays an important role to impart tensile strength in yarn during the spinning process. In the most widely used ring-spinning machine for short staple yarn production, a combination of ring and traveler is used for inserting twist and winding the yarn on cops. The main limitation of this twisting mechanism is the friction between the ring and traveler, which generates heat at higher speed and limits the productivity. This limitation can be overcome by the implementation of a magnetic bearing system based on superconducting technology, which replaces completely the existing ring/traveler system of the ring-spinning machine. This superconducting magnet bearing consists of a circular superconductor and permanent magnet ring. After cooling the superconductor below its transition temperature, the permanent magnet ring levitates and is free to rotate above the superconductor ring according to the principles of superconducting levitation and pinning. Thus the superconducting magnetic bearing (SMB) ensures a friction-free operation during spinning and allows one to increase spindle speed and productivity drastically. The yarn properties using the SMB system have also been investigated and they remain nearly identical to those of conventional ring yarns.

Condensed matter systems undergoing phase transitions rarely allow exact solutions. The presence of disorder renders the situation  even worse but collective Monte Carlo methods and parallel algorithms allow numerical descriptions. This thesis considers classical phase transitions in disordered spin systems in general and in effective models of superfluids with disorder and novel interactions in particular. Quantum phase transitions are considered via a quantum to classical mapping. Central questions are if the presence of defects changes universal properties and what qualitative implications follow for experiments. Common to the cases considered is that the disorder maps out correlated structures. All results are obtained using large-scale Monte Carlo simulations of effective models capturing the relevant degrees of freedom at the transition. Considering a model system for superflow aided by a defect network, we find that the onset properties are significantly altered compared to the $\lambda$-transition in $^{4}$He. This has qualitative implications on expected experimental signatures in a defect supersolid scenario. For the Bose glass to superfluid quantum phase transition in 2D we determine the quantum correlation time by an anisotropic finite size scaling approach. Without a priori assumptions on critical parameters, we find the critical exponent $z=1.8 \pm 0.05$ contradicting the long standing result $z=d$. Using a 3D effective model for multi-band type-1.5 superconductors we find that these systems possibly feature a strong first order vortex-driven phase transition. Despite its short-range nature details of the interaction are shown to play an important role. Phase transitions in disordered spin models exposed to correlated defect structures obtained via rapid quenches of critical loop and spin models are investigated. On long length scales the correlations are shown to decay algebraically. The decay exponents are expressed through known critical exponents of the disorder generating models. For cases where the disorder correlations imply the existence of a new long-range-disorder fixed point we determine the critical exponents of the disordered systems via finite size scaling methods of Monte Carlo data and find good agreement with theoretical expectations. / <p>QC 20150306</p>

Le modèle d'accrochage de polymère décrit le comportement d'une chaîne de Markov en interaction avec un état donné. Cette interaction peut attirer ou repousser la chaîne de Markov et elle est modulée par deux paramètres, h et β. Quand β = 0 on parle de modèle homogène, qui est complètement solvable. Le modèle désordonné, i.e. quand β > 0, est mathématiquement le plus intéressant. Dans ce cas, l'interaction dépend d'une source d'aléa extérieur indépendant de la chaîne de Markov, appelée désordre. L'interaction est réalisée en modifiant la loi originelle de la chaîne de Markov par une mesure de Gibbs et la probabilité obtenue définit le modèle d'accrochage de polymère. Le but principal est d'étudier et de comprendre la structure des trajectoires typiques de la chaîne de Markov sous cette nouvelle probabilité. Le premier sujet de recherche concerne le modèle d'accrochage de polymère où le désordre est à queues lourdes et où le temps de retour de la chaîne de Markov suit une distribution sous-exponentielle. Dans notre deuxième résultat nous étudions le modèle d'accrochage de polymère avec un désordre à queues légères et le temps de retour de la chaîne de Markov avec une distribution à queues polynomiales d'exposant α > 0. On peut démontrer qu'il existe un point critique, h(β). Notre but est comprendre le comportement du point critique quand β -> 0. La réponse dépend de la valeur de α. Dans la littérature on a des résultats précis pour α < ½ et α > 1. Nous montrons que α ∈ (1/2, 1) le comportement du modèle dans la limite du désordre faible est universel et le point critique, opportunément changé d'échelle, converge vers la même quantité donnée par un modèle continu / The pinning model describes the behavior of a Markov chain in interaction with a distinguished state. This interaction can attract or repel the Markov chain path with a force tuned by two parameters, h and β. If β = 0 we obtain the homogeneous pinning model, which is completely solvable. The disordered pinning model, i.e. when β > 0, is most challenging and mathematically interesting. In this case the interaction depends on an external source of randomness, independent of the Markov chain, called disorder. The interaction is realized by perturbing the original Markov chain law via a Gibbs measure, which defines the Pinning Model. Our main aim is to understand the structure of a typical Markov chain path under this new probability measure. The first research topic of this thesis is the pinning model in which the disorder is heavy-tailed and the return times of the Markov chain have a sub-exponential distribution. In our second result we consider a pinning model with a light-tailed disorder and the return times of the Markov chain with a polynomial tail distribution, with exponent α > 0. It is possible to show that there exists a critical point, h(β). Our goal is to understand the behavior of the critical point when β -> 0. The answer depends on the value of α and in the literature there are precise results only for the case α < ½ et α > 1. We show that for α ∈ (1/2, 1) the behavior of the pinning model in the weak disorder limit is universal and the critical point, suitably rescaled, converges to the related quantity of a continuum model

Cette thèse porte sur l'étude de modèles de polymère en milieu aléatoire: on se concentre sur le cas d'un polymère dirigé en dimension d+1 qui interagit avec un défaut unidimensionnel. Les interactions sont possiblement non-homogènes, et sont représentées par des variables aléatoires. Une question importante est celle de l'influence du désordre sur le phénomène de localisation: on veut déterminer si la présence d'inhomogénéités modifie les propriétés critiques du système, et notamment les caractéristiques de la transition de phase (auquel cas le désodre est dit pertinent). En particulier, nous prouvons que dans le cas où le défaut est une marche aléatoire, le désordre est pertinent en dimension d≥3. Ensuite, nous étudions le modèle d'accrochage sur une ligne de défauts possédant des inhomogénéités corrélées spatialement. Il existe un critère non rigoureux (dû à Weinrib et Halperin), que l'on applique à notre modèle, et qui prédit si le désordre est pertinent ou non en fonction de l'exposant critique du système homogène, noté νpur, et de l'exposant de décroissance des corrélations. Si le désordre est gaussien et les corrélations sommables, nous montrons la validité du critère de Weinrib-Halperin: nous le prouvons dans la version hiérarchique du modèle, et aussi, de manière partielle, dans le cadre (standard) non-hiérarchique. Nous avons de plus obtenu un résultat surprenant: lorsque les corrélations sont suffisamment fortes, et en particulier si elles sont non-sommables (dans le cadre gaussien), il apparaît un régime où le désordre devient toujours pertinent, l'ordre de la transition de phase étant toujours plus grand que νpur. La prédiction de Weinrib-Halperin ne s'applique alors pas à notre modèle. / This thesis studies models of polymers in random environment: we focus on the case of a directed polymer in dimension d+1 that interacts with a one-dimensional defect. The interactions are possibly inhomogeneous, and are represented by random variables. We deal with the question of the influence of disorder on the localization phenomenon: we want to determine if the presence of inhomogeneities modifies the critical properties of the system, and especially the characteristics of the phase transition (in that case disorder is said to be pertinent). In particular, we prove that if the defect is a random walk, disorder is relevant in dimension d≥3. We then study the pinning model in random correlated environment. There is a non-rigourous criterion (due to Weinrib and Halperin), that we can apply to our model, and that predicts disorder relevance/irrelevance, according to the value of the critical exponent of the homogeneous system, denoted νpur, and of the correlation decay exponent. When disorder is Gaussian and correlations are summable, we show that the Weinrib-Halperin criterion is valid: we prove this in the hierarchical version of the model, and also, partially, in the non-hierachical (standard) framework. Moreover, we obtained a surprising result: when correlations are sufficiently strong, and in particular when they are non-summable (in the gaussian framework), a new regime in which disorder is always relevant appears, the order of the phase transition being always larger than νpur. The Weinrib-Halperin prediction therefore does not apply to our model.

Cette thèse est consacrée à l’étude du modèle d’accrochage en environnementfaiblement corrélé. Le modèle d’accrochage s’applique à de multiples situationstelles que la localisation d’un polymère au voisinage d’une interface unidimensionnelle,la transition de mouillage ou encore la dénaturation de l’ADN, le pointcommun étant la présence d’une transition entre une phase localisée et une phasedélocalisée.Nous commençons par donner un aperçu des résultats disponibles sur lescourbes et exposants critiques pour le modèle homogène puis pour le modèledésordonné lorsque le désordre est une suite de variables aléatoires indépendanteset identiquement distribuées (i.i.d.). Dans ce dernier cas, nous donnons égalementune borne sur la courbe critique quenched à haute température, dans un régimeoù le désordre est dit pertinent.Nous étudions ensuite le modèle d’accrochage désordonné dans le cas où ledésordre est gaussien et les corrélations ont une portée finie, à l’aide de la théoriedes processus de renouvellement markoviens. Nous donnons dans ce cas une expressionde la courbe annealed à l’aide de la plus grande valeur propre d’une matricede transfert ainsi que l’exposant critique annealed. Nous généralisons ensuite lescritères de pertinence et de non pertinence du désordre prouvés dans le cas i.i.d.Nous nous intéressons ensuite à des désordres dont les corrélations ont uneportée de corrélation infinie. Dans un premier temps, nous généralisons la démarcheutilisée dans le cas d’une portée de corrélations finie et obtenons le comportementcritique annealed dans le cas d’un désordre gaussien sous des hypothèses dedécroissance forte des corrélations. Nous utilisons pour cela les propriétés spectralesdes opérateurs de transfert pour des décalages sur des suites d’entiers etdes potentiels à variations sommables. Dans un deuxième temps, nous donnonsquelques résultats dans le cas où le désordre est donné par une chaîne de Markov. / In this dissertation we study the pinning model with weakly correlated disorder.The pinning model applies to various situations such as localization of a polymernear a one-dimensional interface, wetting transition and DNA denaturation, whichall display a transition between a localized phase and a delocalized phase.We start by giving a survey of the available results concerning critical pointsand exponents, first for the homogeneous setup and then for the inhomogeneousone, in the case when disorder is given by a sequence of independent and identicallydistributed (i.i.d.) random variables. In the latter case, we also provide a hightemperaturebound on the quenched critical curve in a case of relevant disorder.We then study the random pinning model when disorder is gaussian and hascorrelations with finite range, using the theory of Markov renewal processes. Weexpress the annealed critical curve in terms of the largest eigenvalue of a transfermatrix and we give the annealed critical exponent. We then generalize the criteriafor disorder relevance/irrelevance that were proved for the i.i.d. case.Next we are interested in disorder sequences with infinite range correlations.At first we generalize the method used to deal with finite range correlations andobtain the annealed critical behaviour in the case of gaussian disorder assumingfast decay of correlations. We use to this end the spectral properties of transferoperators for shifts on integer sequences and potentials with summable variations.Secondly we provide some results when disorder is a Markov chain.

Des puits quantiques à base d'hétérostructures In0.53 Ga0.47 As/In0.52 Al0.48 As, fabriqués par épitaxie par jets moléculaires sur substrats InP(111)A, sont étudiés par microscopie et spectroscopie à effet tunnel à basse température et sous ultra-vide. La première partie est consacrée à une étude de la surface épitaxiée (111)A de In0.53 Ga0.47 As de type n. Il est découvert que le niveau de Fermi de surface est positionné dans la bande de conduction, à proximité du niveau de Fermi de volume, et peut être partiellement contrôlé en variant la concentration d'impuretés de type n dans le volume. Ce résultat est confirmé en déterminant la relation de dispersion de la bande de conduction en surface. Un tel dépiégeage partiel du niveau de Fermi de surface indique que la densité d'états de surface accepteurs est faible. Il est proposé que ces états proviennent de défauts ponctuels natifs localisés à la surface. La deuxième partie, basée sur les résultats obtenus dans la première partie, est consacrée à une étude de puits quantiques In0.53 Ga0.47 As de surface, déposés sur des barrières In0.52 Al0.48 As selon la direction (111)A. Les mesures sont conduites sur la surface épitaxiée (111)A du puits quantique In0.53 Ga0.47 As, de manière à pouvoir sonder à l'échelle du nanomètre la distribution de densité locale d'états électroniques dans le plan du puits quantique. Il est confirmé que des sous-bandes électroniques sont formées dans le puits quantique, et que la concentration d'électrons dans le puits peut être contrôlée du fait du dépiégeage partiel du niveau de Fermi de surface. Il est découvert qu'un phénomène de percolation d'états localisés survient dans la queue de chaque sous-bande, ce qui indique la présence d'un potentiel désordonné dans le puits quantique. Les seuils de percolation sont déterminés en utilisant un modèle semi-classique. L'origine du potentiel désordonné est attribuée à une distribution aléatoire des défauts ponctuels natifs à la surface du puits quantique. Il est également découvert qu'un état lié apparaît au bas de chaque sous-bande à proximité d'un défaut ponctuel natif de type donneur. L'énergie de liaison et le rayon de Bohr des états liés peuvent être directement déterminés. De plus, il est démontré que l'énergie de liaison et le rayon de Bohr sont fonctions de l'épaisseur du puits quantique, en accord quantitatif avec des calculs variationnels d'impuretés dans le modèle de l'atome d'hydrogène.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer Schichtsysteme für die Realisierung biaxial texturierter hochtemperatursupraleitender Bandleiter. Bisher sind eine Vielzahl von Bandleiterarchitekturen bekannt, die sowohl durch physikalische Depositionsmethoden als auch mittels Abscheidung aus der chemischen Lösung hergestellt werden können. Während die Funktion von YBCO-Bandleitern mit Hilfe physikalischer Depositionsmethoden in den letzten Jahren demonstriert werden konnte, zeigen auf chemischem Wege deponierte Bandleiter schlechtere Eigenschaften. Seitens der Industrie besteht ein starkes Interesse, die hohen Produktionskosten, die im Hinblick auf physikalische Depositionsmethoden mit einem hohen Anlagenaufwand verbunden sind, anhand der kostengünstigen chemischen Synthese von Einzelschichten oder der gesamten Bandleiterarchitektur zu senken. Gelöst wurde diese Aufgabe innerhalb der vorliegenden Arbeit durch die Entwicklung metallorganischer Vorstufenlösungen zur Deposition von CaTiO3-, SrTiO3-Pufferschichten und supraleitender YBa2Cu3O7-Schichten.