In this thesis, superconducting nanostructures for quantum detection of electromagnetic radiation are studied. In this regard, electrodynamics of topological excitations in 1D superconducting nanowires and 2D superconducting nanostrips is investigated. Topological excitations in superconducting nanowires and nanostrips lead to crucial deviation from the bulk properties. In 1D superconductors, topological excitations are phase slippages of the order parameter in which the magnitude of the order parameter locally drops to zero and the phase jumps by integer multiple of 2\pi. We investigate the effect of high-frequency field on 1D superconducting nanowires and derive the complex conductivity. Our study reveals that the rate of the quantum phase slips (QPSs) is exponentially enhanced under high-frequency irradiation. Based on this finding, we propose an energy-resolving terahertz radiation detector using superconducting nanowires. In superconducting nanostrips, topological fluctuations are the magnetic vortices. The motion of magnetic vortices result in dissipative processes that limit the efficiency of devices using superconducting nanostrips. It will be shown that in a multi-layer structure, the potential barrier for vortices to penetrate inside the structure is elevated. This results in significant reduction in dissipative process. In superconducting nanowire single photon detectors (SNSPDs), vortex motion results in dark counts and reduction of the critical current which results in low efficiency in these detectors. Based on this finding, we show that a multi-layer SNSPD is capable of approaching characteristics of an ideal single photon detector in terms of the dark count and quantum efficiency. It is shown that in a multi-layer SNSPD the photon coupling efficiency is dramatically enhanced due to the increase in the optical path of the incident photon.

Des années 50 à nos jours, la propulsion électrique n'a cessé d'évoluer afin de s'imposer dans le domaine de la propulsion spatiale. Les Propulseurs à effet Hall (PEH) sont principalement utilisés pour des missions de correction de trajectoire ou de maintien en orbite des satellites. Ils délivrent des faisceaux d'ions à forte densité de courant et à faible énergie, ce qui en font de bons candidats potentiels pour d'autres applications comme la microélectronique ou encore les traitements de surfaces. Le xénon est l'ergol le plus utilisé en raison de sa masse élevée et de son faible énergie d'ionisation. Cependant son coût élevé et la difficulté d’approvisionnement motivent la recherche d'alternatives pour le fonctionnement des MEH. C'est dans ce cadre que cette thèse s'est inscrite avec l'idée d'un développement d'une source de faible puissance fonctionnelle en argon. L'amorçage d'une telle décharge n'étant pas immédiat, une démarche progressive qui passe par des décharges de mélange de gaz a été adoptée. Les décharges Xe-Ar se sont révélées très intéressantes pour la compréhension des mécanismes physiques qui régissent les PEH. La caractérisation en vitesse des ions Xe II (par Fluorescence Induite par Laser) associée à l'analyse en énergie par RPA a permis de remonter à des informations utiles sur les zones d'ionisation et d'accélération. Une technique originale de résolution temporelle du RPA basée sur une interruption rapide de la décharge ou sur les oscillations naturelles du courant de décharge, a été développée et a permis l'identification et la quantification des différentes espèces présentes dans le jet d'ions. Grâce aux résultats de l'étude paramétrique des décharges de mélange Xe-Ar, une décharge d'argon pur a pu être amorcée et caractérisée pour la première fois dans un PEH de faible puissance. / Since the 50s, electric propulsion has improved in order to establish itself on space propulsion field. The Hall Effect Thruster (HET) are mainly used for trajectory correction or satellites orbit maintaining. The HET provide high current densities and low energy ion beam that making it a good candidate for other applications such as microelectronics or surface treatments. Xenon propellant is most commonly used due to its high atomic mass and its low ionization energy. However, the high cost and difficult supply of xenon, leads to looking for alternative propellant for HET operation. In this context, this PhD thesis had as goal the development of a functional Argon low power source. Argon discharge ignition is not immediate, that why a progressive approach which involves gas mixture discharges was adopted. The Xe-Ar discharge gives very interesting results for the understanding of physical mechanisms governing HET. The characterization of Xe II ions velocity (Laser Induced Fluorescence) associated to the energy analysis by RPA have provided access to useful information on ionization and acceleration areas. An original time resolved RPA technique, based on an ultra-fast discharge interruption or on the discharge current oscillations, has been developed. This technique allows the identification and the quantification of different species present in the ion beam. Thanks to the discharge Xe-Ar study, a pure argon discharge could be initiated and characterized for the first time in a low power HET.

This thesis describes design and implementation of 3D space physical real-time simulation system as add-on to graphical engine. System contains processing of rigid solid simulation, collision detection and response, which are provided by physical laws. Document contains theoretical introduction of this course of study, design and implementation as multiplatform library and description of user interfaces. Output of this thesis, except library, is also example applications, which demonstrate functionality of designed simulation model.