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International audience; Enseignement Cours : Une brève histoire des atomes froids Peut-on contrôler l’équilibre thermodynamique d’un échantillon de matière en utilisant de la lumière aux caractéristiques bien choisies ? Depuis les articles fondateurs d’Einstein et de Kastler, cette question a accompagné le développement de la physique atomique et de l’optique quantique. À partir des années 1970, le développement des sources laser accordables est venu lui donner un nouvel éclairage, avec notamment les propositions...

La qualification et l'étalonnage d'instruments de mesure des aérosols nécessitent le recours à des moyens de génération stables, contrôlés et répétables. Si la plupart des générateurs ont besoin d'une source d'air comprimé, le système présenté ici possède l'avantage d'être auto-alimenté en air propre et sec, et portatif. L'air sous pression est injecté verticalement à un débit compris entre 1 et 5 L/min jusque dans un réceptacle contenant la poudre à disperser. La poudre mise en suspension transite ensuite vers la sortie du générateur par l'intermédiaire d'un cône élutriateur. Ce générateur présente l'avantage d'utiliser de très faibles quantités de matière première et permet de délivrer des concentrations adaptées, notamment, aux tests des compteurs optiques. Le dispositif est agité à l'aide d'un moteur à masse oscillante dont la fréquence de vibration est réglable par l'utilisateur., The qualification and calibration of aerosol measuring instruments require the use of stable, controlled and repeatable generation means. While most generators need a source of compressed air, the system shown here has the advantage of being self-supplied with clean, dry air, and portable. The pressurized air is injected vertically at a flow rate between 1 and 5 L/min into a receptacle containing the powder to be dispersed. The resuspended powder then passes to the generator outlet via an elutriator cone. This generator has the advantage of using a very small amount of powder and makes it possible to deliver concentrations suitable, in particular, for the tests of optical particle counters. The device is agitated by means of an oscillating mass motor whose vibration frequency is adjustable by the user.

In the Arabian Sea, eddies have a greater impact on the circulation than the large-scale circulation.In this manuscript, we present the three-dimensional structure of mesoscale eddies in the Arabian Sea, through the joint use of altimetry and in situ measurements. We then describe the lifecycle of these eddies using numerical simulations, under the assumption that they are isolated from the rest of the dynamics. For these simulations, a composite vortex extracted from in situ data is used as an initial condition. We discuss the impact of vortex stability on the vortex lifetime and the generation of submesoscale structures at the surface.We also discuss the interaction between eddies and the western boundaries of ocean basins, and relate these results to the measurement of a cyclonic submesoscale vortex performed during the PHYSINDIEN 2019 experiment.Because mesoscale eddies are actually not isolated from the ambient eddy field, we finally discuss one part of the eddy interactions that occur in the Arabian Sea: mergers. One of the main results of this study is that the comparison between the distance for which two eddies in the ocean merge, and the critical merging distance obtained from idealized studies of two eddies isolated on an f-plane omits the main parameters involved in merging: the ambient turbulent field and the β-effect., Dans des régions particulières du globe, les tourbillons ont un impact sur la circulation plus grand que la circulation grande échelle elle-même. C'est le cas en mer d'Arabie ou le transport des propriétés de la colonne d'eau est dominé par le transport induit par les tourbillons. Dans ce manuscrit de thèse, nous présentons tout d’abord la structure tridimensionnelle des tourbillons de méso-échelle en mer d'Arabie, grâce à l'utilisation conjointe de mesures altimétriques et de mesures in situ. Nous décrivons ensuite le cycle de vie de ces tourbillons à l’aide de simulations numériques, sous l'hypothèse qu’ils sont isolés du reste de la dynamique. Pour ces simulations, un tourbillon composite extrait des données in situ est utilisé comme condition initiale. Cela permet de réaliser des simulations très idéalisées, mais pour la première fois pertinentes et représentatives de la dynamique tourbillonnaire d'une région particulière. Nous discutons de l’impact de la stabilité des tourbillons sur leur durée de vie et sur la génération de structures de sousméso-échelle à la surface. Nous discutons également l’interaction entre les tourbillons et les frontières ouest des bassins océaniques, et mettons en relation ces résultats avec la mesure d'un tourbillon cyclonique de sousméso-échelle effectuée durant la campagne PHYSINDIEN 2019. Comme les tourbillons de méso-échelle ne sont en réalité pas isolés du champ tourbillonnaire ambiant, nous discutons finalement d'une partie des interactions entre tourbillons qui se produisent en mer d’Arabie : les fusions. Un des résultats principaux de cette étude est que la comparaison entre la distance pour laquelle deux tourbillons dans l'océan fusionnent, et la distance critique de fusion obtenue à partir d'études idéalisées de fusion de deux tourbillons isolés sur un plan f omet les paramètres principaux impliqués dans la fusion : le champ turbulent ambiant et l'effet β.

Les maladies cardiaques sont une cause majeure de mortalité dans le monde (la première cause en Amérique du nord [192]), et la prise en charge de ses maladies entraîne des coûts élevés pour la société. La prévalence de l’insuffisance cardiaque augmente fortement avec l’âge, et, avec une population vieillissante, elle va demeurer une préoccupation croissante dans le futur, non seulement pour les pays industrialisés mais aussi pour ceux en développement. Ainsi il est important d’avoir une bonne compréhension de son mécanisme pour obtenir des diagnostics précoces et un meilleur prognostic pour les patients. Parmi les différentes formes d’insuffisance cardiaque, on trouve la dysfonction diastolique qui se traduit par une déficience du remplissage du ventricule. Pour une meilleure compréhension de ce mécanisme, de nombreuses études se sont intéressées au mouvement du sang dans le ventricule. On sait notamment qu’au début de la diastole le flux entrant prend la forme d’un anneau vortical (ou vortex ring). La formation d’un vortex ring par le flux sanguin après le passage d’une valve a été décrite pour la première fois en 1513 par Léonard de Vinci (Fig. 0.1). En effet après avoir moulé l’aorte dans du verre et ajouter des graines pour observer le flux se déplaçant dans son fantôme, il a décrit l’apparition du vortex au passage de la valve aortique. Ces travaux ont pu être confirmés 500 ans plus tard avec l’apparition de l’IRM [66]. Dans le ventricule, le même phénomène se produit après la valve mitrale, c’est ce qu’on appelle le vortex diastolique. Or, le mouvement d’un fluide (ici le sang) est directement relié a son environnement : la forme du ventricule, la forme de la valve, la rigidité des parois... L’intérêt est donc grandissant pour étudier de manière plus approfondie ce vortex diastolique qui pourrait apporter de précieuses informations sur la fonction diastolique. Les modalités d’imagerie permettant de le visualiser sont l’IRM et l’échographie. Cette thèse présente l’ensemble des travaux effectués pour permettre une meilleure caractérisation du vortex diastolique dans le ventricule gauche par imagerie ultrasonore Doppler. Pour suivre la dynamique de ce vortex dans le temps, il est important d’obtenir une bonne résolution temporelle. En effet, la diastole ventriculaire dure en moyenne 0.5 s pour un coeur humain au repos, une cadence élevée est donc essentielle pour suivre les différentes étapes de la diastole. La qualité des signaux Doppler est également primordiale pour obtenir une bonne estimation des vitesses du flux sanguin dans le ventricule. Pour étudier ce vortex, nous nous sommes intéressés à la mesure de sa vorticité en son centre v et à l’évolution de cette dernière dans le temps. Le travail se divise ainsi en trois parties, pour chaque un article a été rédigé : 1. Développement d’une séquence Doppler ultrarapide : La séquence se base sur l’utilisation d’ondes divergentes qui permettent d’atteindre une cadence d’image élevée. Associée à la vortographie, une méthode pour localiser le centre du vortex diastolique et en déduire sa vorticité, nous avons pu suivre la dynamique de la vorticité dans le temps. Cette séquence a permis d’établir une preuve de concept grâce à des acquisitions in vitro et in vivo sur des sujets humains volontaires. 2. Développement d’une séquence triplex : En se basant sur la séquence ultrarapide Doppler, on cherche ici à ajouter des informations supplémentaires, notamment sur le mouvement des parois. La séquence triplex permet non seulement de récupérer le mouvement sanguin avec une haute cadence d’images mais aussi le Doppler tissulaire. Au final, nous avons pu déduire les Doppler couleur, tissulaire, et spectral, en plus d’un Bmode de qualité grâce à la compensation de mouvement. On peut alors observer l’interdépendance entre la dynamique du vortex et celle des parois, en récupérant tous les indices nécessaires sur le même cycle cardiaque avec une acquisition unique. 3. Développement d’un filtre automatique : La quantification de la vorticité dépend directement des vitesses estimées par le Doppler. Or, en raison de leur faible amplitude, les signaux sanguins doivent être filtrés. En effet lors de l’acquisition les signaux sont en fait une addition des signaux sanguins et tissulaires. Le filtrage est une étape essentielle pour une estimation précise et non biaisée de la vitesse. La dernière partie de ce doctorat s’est donc concentrée sur la mise au point d’un filtre performant qui se base sur les dimensions spatiales et temporelles des acquisitions. On effectue ainsi un filtrage du tissu mais aussi du bruit. Une attention particulière a été portée à l’automatisation de ce filtre avec l’utilisation de critères d’information qui se basent sur la théorie de l’information., Heart disease is one of the leading causes of death in the world (first cause in North America [192]), and causes high health care costs for society. The prevalence of heart failure increases dramatically with age and, due to the ageing of the population, will remain a major concern in the future, not only for developed countries, but also for developing countries. It is therefore crucial to have a good understanding of its mechanism to obtain an early diagnosis and a better prognosis for patients. Diastolic dysfunction is one of the variations of heart failure and leads to insufficient filling of the ventricle. To better understand the dysfunction, several studies have examined the blood motion in the ventricle. It is known that at the beginning of diastole, the filling flow creates a vortex pattern known as a vortex ring. This development of the ring by blood flow after passage through a valve was first described in 1513 by Leonardo Da Vinci (Fig. 0.1). After molding a glass phantom in an aorta and adding seeds to visually observe the flow through the phantom, he could describe the vortex ring development of the blood coming out of the aortic valve. His work was confirmed 500 years later with the emergence of MRI [66]. The same pattern can be observed in the left ventricle when the flow emerges from the mitral valve, referred to as the diastolic vortex. The flow motion (in our case the blood) is directly related to its environment : shape of the ventricle, shape of the valve, stiffness of the walls... There is therefore a growing interest in further studies on this diastolic vortex that could lead to valuable information on diastolic function. The imaging modalities which can be used to visualize the vortex are MRI and ultrasound. This thesis presents the work carried out to allow a better characterization of the diastolic vortex in the left ventricle by Doppler ultrasound imaging. For temporal monitoring of vortex dynamics, a high temporal resolution is required, since the ventricular diastole is about 0.5 s on average for a resting human heart. The quality of Doppler signals is also of utmost importance to get an accurate estimate of the blood flow velocity in the ventricle. To study this vortex, we focused on evaluating the core vorticity evaluation and especially on its evolution in time. The work is divided in three parts, and for each of them an article has been written : 1. Ultrafast Doppler sequence : The sequence is based on diverging waves, which resulted in a high frame rate. In combination with vortography, a method to locate the vortex core and derive its vorticity, the vortex dynamics could be tracked over time. This ix sequence could establish a proof of concept based on in vitro and in vivo acquisitions on healthy human volunteers. 2. Triplex sequence : Based on the ultrafast sequence, we were interested in adding information on the wall motion. The triplex sequence is able to recover not only the blood motion with a high framerate but also tissue Doppler. In the end, we could derive color, tissue, and spectral Doppler, along with a high quality Bmode by using motion compensation. The interdependence between vortex and walls dynamics could be highlighted by acquiring all the required parameters over a single cardiac cycle. 3. Automatic clutter filter : Vorticity quantification depends directly on the estimation of Doppler velocity. However, due to their low amplitude, blood signals must be filtered. Indeed, acquired signals are actually an addition of tissue and blood signals. Filtering is a critical step for an unbiased and accurate velocity estimation. The last part of this doctoral thesis has focused on the design of an efficient filter that takes advantage of the temporal and spatial dimensions of the acquisitions. Thus the tissue alongside the noise is removed. Particular care was taken to automatize the filter by applying information criteria based on information theory.

Spintronic nano-oscillators have remarkable properties in terms of radio frequency detection. Their nanoscale sizes, room temperature operation, and CMOS compatibility make them serious candidates for providing instantaneous spectral analysis in embedded systems. This thesis concerns the detection properties of magnetic vortex-based STNOs. One of the effects conferring on STNOs the possibility of detecting a rf signal is the spin diode effect. An rf source is used to create the signal to be detected. When the rf current frequency injected into the STNO corresponds to its resonant frequency, a rectification voltage is created at its terminals. The measurement of this voltage by a simple voltmeter makes possible to determine the rf current presence. The evolution study of the resonance frequency as a function of the STNO radius, the dc current and the magnetic field has highlighted the possibility of choosing the resonant frequency and tuning it with these parameters. From an application point of view, this property is essential for allocating an STNO to a specific frequency to be detected. Furthermore, the STNO nanometric allows us to envisage a network of thousands, even millions of STNOs contained on a chip operating at ambient temperature. However, several problems arise. The STNO sensitivity to an external rf signal must allow to determine the occupancy state of a frequency channel by a simple measurement of the voltage or with a voltage comparator. This requires a voltage variation of ten mV order. The spin diode effect doesn’t allow to achieve such variation. Another effect, measured for the first time at the Unité Mixte de Physique CNRS/Thales, called magnetic vortex expulsion, is studied. This phenomenon occurs when the vortex core crosses the STNO edges during its spin transfer induced dynamics. Thanks to this effect, the voltage amplitude variation can reach up to 25 mV in the STNOs characterized during this thesis. Moreover, this phenomenon can be tuned. From an application perspective, a network of STNOs must be created in order to allocate an STNO to a specific frequency range and thus cover a broad frequency band.The rf current distribution to all STNOs is therefore a problem to which we have brought a solution. The excitation of the vortex core by a rf field allows us to excite a large number of STNO thanks to an inductive line lithographed above the STNOs. The possibility of expelling the vortex core under these conditions has been demonstrated. We then studied the vortex core dynamics induced by an rf field during the expulsion. A time and frequency domain studies not only provided us detection time information of an rf signal by the STNO but also on its magnetization in the expulsion regime. Moreover, the STNO frequency tuning is possible even when the vortex core is excited by an rf field. Finally, these studies enabled us to implement step by step a proof of concept demonstrating the rf detection feasibility with spintronic nano-oscillators. The various studies of vortex core expulsion combined with a considerable technical work of design and manufacture finally allowed us to converge towards a solution that constitutes a starting point towards the development of a broadband spintronic spectrum occupancy detector, contained on a chip and operating at room temperature.; Les nano-oscillateurs spintroniques présentent des propriétés remarquables en termes de détection radiofréquence. Leurs tailles nanométriques, leur fonctionnement à température ambiante et leurs compatibilité CMOS en font des candidats sérieux pour apporter la fonction d’analyse spectrale instantanée dans des systèmes embarqués. Les travaux de cette thèse portent sur les propriétés de détection des STNOs à base de vortex magnétiques. Un des effets conférant aux STNOs la possibilité de détecter un signal rf est l’effet diode de spin. Une source rf permet de créer le signal à détecter. Lorsque la fréquence du courant rf injecté dans le STNO correspond à sa fréquence de résonance, une tension de rectification est créée à ses bornes. La mesure de cette tension par un simple voltmètre permet alors de déterminer la présence d’un courant rf. L’étude de l’évolution de la fréquence de résonance en fonction du rayon du STNO, du courant dc et du champ magnétique a mis en avant la possibilité de choisir la fréquence de résonance et de l’accorder avec ces paramètres. Dans une perspective applicative, cette propriété est essentielle pour allouer un STNO à une fréquence spécifique à détecter. De plus, la taille nanométrique des STNOs permettent d’envisager un système composé d’un réseau de milliers, voire de millions de STNOs contenues sur une puce fonctionnant à température ambiante. Cependant plusieurs problématiques se posent. La sensibilité du STNOs à un signal rf extérieur doit permettre de déterminer l’état d’occupation d’un canal de fréquence par une simple mesure de la tension ou par un comparateur de tension. Cela nécessite une variation de tension de l’ordre de la dizaine de mV. L’effet diode de spin ne permettant pas d’atteindre de telle variation, un autre effet, mesuré pour la première fois à l’Unité Mixte de Physique CNRS/Thales, appelé expulsion de vortex magnétique, est étudié. Ce phénomène a lieu quand le cœur de vortex franchit les bords du STNO lors de sa dynamique induite par transfert de spin. Grâce à cet effet, l’amplitude de la variation de tension peut atteindre jusqu’à 25 mV dans les STNOs caractérisés dans le cadre de nos travaux. De plus, ce phénomène est également accordable en fréquence. Dans une perspective applicative, un réseau de STNO doit être crée afin d’allouer un STNO à une gamme de fréquence spécifique et ainsi couvrir une large bande de fréquence. La répartition du courant rf vers tous les STNOs est donc une problématique à laquelle nous avons apporté une solution. L’excitation du cœur de vortex par un champ rf nous permet en effet d’exciter un grand nombre de STNO grâce à une ligne inductive lithographiée au-dessus des STNOs. La possibilité d’expulser le cœur de vortex, dans ces conditions, a été démontré. Nous avons alors étudié la dynamique du cœur de vortex induite par un champ rf lors de l’expulsion. Ces études temporelles et fréquentielles nous ont non seulement apporté des informations sur le temps de détection d’un signal rf par le STNO mais aussi sur son aimantation dans le régime d’expulsion. De plus, l’accord en fréquence du STNO est possible même lors de l’excitation du cœur de vortex par un champ rf. Enfin, ces études nous ont permis de mettre en place, étape après étape une preuve de concept démontrant la faisabilité de la détection rf avec des nano-oscillateurs spintronique. Les différentes études du phénomène d’expulsion du cœur de vortex alliées à un travail technique de conception et de fabrication considérable a permis de converger vers une solution qui constitue un point de départ vers le développement d’un détecteur d’occupation de spectre spintronique large bande, tenant sur une puce et fonctionnant à température ambiante.

Spintronic nano-oscillators have remarkable properties in terms of radio frequency detection. Their nanoscale sizes, room temperature operation, and CMOS compatibility make them serious candidates for providing instantaneous spectral analysis in embedded systems. This thesis concerns the detection properties of magnetic vortex-based STNOs. One of the effects conferring on STNOs the possibility of detecting a rf signal is the spin diode effect. An rf source is used to create the signal to be detected. When the rf current frequency injected into the STNO corresponds to its resonant frequency, a rectification voltage is created at its terminals. The measurement of this voltage by a simple voltmeter makes possible to determine the rf current presence. The evolution study of the resonance frequency as a function of the STNO radius, the dc current and the magnetic field has highlighted the possibility of choosing the resonant frequency and tuning it with these parameters. From an application point of view, this property is essential for allocating an STNO to a specific frequency to be detected. Furthermore, the STNO nanometric allows us to envisage a network of thousands, even millions of STNOs contained on a chip operating at ambient temperature. However, several problems arise. The STNO sensitivity to an external rf signal must allow to determine the occupancy state of a frequency channel by a simple measurement of the voltage or with a voltage comparator. This requires a voltage variation of ten mV order. The spin diode effect doesn’t allow to achieve such variation. Another effect, measured for the first time at the Unité Mixte de Physique CNRS/Thales, called magnetic vortex expulsion, is studied. This phenomenon occurs when the vortex core crosses the STNO edges during its spin transfer induced dynamics. Thanks to this effect, the voltage amplitude variation can reach up to 25 mV in the STNOs characterized during this thesis. Moreover, this phenomenon can be tuned. From an application perspective, a network of STNOs must be created in order to allocate an STNO to a specific frequency range and thus cover a broad frequency band.The rf current distribution to all STNOs is therefore a problem to which we have brought a solution. The excitation of the vortex core by a rf field allows us to excite a large number of STNO thanks to an inductive line lithographed above the STNOs. The possibility of expelling the vortex core under these conditions has been demonstrated. We then studied the vortex core dynamics induced by an rf field during the expulsion. A time and frequency domain studies not only provided us detection time information of an rf signal by the STNO but also on its magnetization in the expulsion regime. Moreover, the STNO frequency tuning is possible even when the vortex core is excited by an rf field. Finally, these studies enabled us to implement step by step a proof of concept demonstrating the rf detection feasibility with spintronic nano-oscillators. The various studies of vortex core expulsion combined with a considerable technical work of design and manufacture finally allowed us to converge towards a solution that constitutes a starting point towards the development of a broadband spintronic spectrum occupancy detector, contained on a chip and operating at room temperature.; Les nano-oscillateurs spintroniques présentent des propriétés remarquables en termes de détection radiofréquence. Leurs tailles nanométriques, leur fonctionnement à température ambiante et leurs compatibilité CMOS en font des candidats sérieux pour apporter la fonction d’analyse spectrale instantanée dans des systèmes embarqués. Les travaux de cette thèse portent sur les propriétés de détection des STNOs à base de vortex magnétiques. Un des effets conférant aux STNOs la possibilité de détecter un signal rf est l’effet diode de spin. Une source rf permet de créer le signal à détecter. Lorsque la fréquence du courant rf injecté dans le STNO correspond à sa fréquence de résonance, une tension de rectification est créée à ses bornes. La mesure de cette tension par un simple voltmètre permet alors de déterminer la présence d’un courant rf. L’étude de l’évolution de la fréquence de résonance en fonction du rayon du STNO, du courant dc et du champ magnétique a mis en avant la possibilité de choisir la fréquence de résonance et de l’accorder avec ces paramètres. Dans une perspective applicative, cette propriété est essentielle pour allouer un STNO à une fréquence spécifique à détecter. De plus, la taille nanométrique des STNOs permettent d’envisager un système composé d’un réseau de milliers, voire de millions de STNOs contenues sur une puce fonctionnant à température ambiante. Cependant plusieurs problématiques se posent. La sensibilité du STNOs à un signal rf extérieur doit permettre de déterminer l’état d’occupation d’un canal de fréquence par une simple mesure de la tension ou par un comparateur de tension. Cela nécessite une variation de tension de l’ordre de la dizaine de mV. L’effet diode de spin ne permettant pas d’atteindre de telle variation, un autre effet, mesuré pour la première fois à l’Unité Mixte de Physique CNRS/Thales, appelé expulsion de vortex magnétique, est étudié. Ce phénomène a lieu quand le cœur de vortex franchit les bords du STNO lors de sa dynamique induite par transfert de spin. Grâce à cet effet, l’amplitude de la variation de tension peut atteindre jusqu’à 25 mV dans les STNOs caractérisés dans le cadre de nos travaux. De plus, ce phénomène est également accordable en fréquence. Dans une perspective applicative, un réseau de STNO doit être crée afin d’allouer un STNO à une gamme de fréquence spécifique et ainsi couvrir une large bande de fréquence. La répartition du courant rf vers tous les STNOs est donc une problématique à laquelle nous avons apporté une solution. L’excitation du cœur de vortex par un champ rf nous permet en effet d’exciter un grand nombre de STNO grâce à une ligne inductive lithographiée au-dessus des STNOs. La possibilité d’expulser le cœur de vortex, dans ces conditions, a été démontré. Nous avons alors étudié la dynamique du cœur de vortex induite par un champ rf lors de l’expulsion. Ces études temporelles et fréquentielles nous ont non seulement apporté des informations sur le temps de détection d’un signal rf par le STNO mais aussi sur son aimantation dans le régime d’expulsion. De plus, l’accord en fréquence du STNO est possible même lors de l’excitation du cœur de vortex par un champ rf. Enfin, ces études nous ont permis de mettre en place, étape après étape une preuve de concept démontrant la faisabilité de la détection rf avec des nano-oscillateurs spintronique. Les différentes études du phénomène d’expulsion du cœur de vortex alliées à un travail technique de conception et de fabrication considérable a permis de converger vers une solution qui constitue un point de départ vers le développement d’un détecteur d’occupation de spectre spintronique large bande, tenant sur une puce et fonctionnant à température ambiante.

International audience; Cette étude a trait à l'interaction non linéaire de deux vortex hélicoïdaux. Un premier modèle s'appuie sur l'analogie de ce système avec deux allées périodiques de points vortex en régime non linéaire. Ceci permet d'interpréter la dynamique des vortex hélicoïdaux (saute-mouton ou dépassement de vortex) en terme de système hamiltonien présentant des trajectoires bornées ou non bornées. Les effets de courbure et de torsion peuvent également être pris en compte dans un second système dynamique fondé sur des filaments hélicoïdaux tridimensionnels non visqueux. On comprend ainsi certains phénomènes observés en simulation numérique directe des équations de Navier-Stokes.

Une étude analytique et numérique de vortex métastables couplés gravitationnelle- ment et formés dans un modèle abélien de Higgs modifié est menée. Les concepts de désintégration du faux vide et de solitons topologiques sont revus. Le modèle à l’étude est comparé à d’autres modèles dans lesquels sont aussi formés des vortex. Les solutions classiques correspondant au vortex sont trouvées numériquement. Leur sensibilité au couplage gravitationnel est mise en évidence. Les zones de stabilité dans l’espace des paramètres sont également définies. Un profil dit thin-wall du vortex survient dans la limite d’un grand champ magnétique dans le coeur du vortex. La désintégration du vortex, possible en raison du vrai vide à l’intérieur de celui-ci, est dans ce cas analysée analyti- quement. Dans cette limite, l’exposant lié au taux de désintégration du vortex vaut la moitié de celui associé à la désintégration du faux vide sans vortex. Ce résultat tient peu importe la force du couplage gravitationnel. Ainsi, même une faible densité de vortex pouvant induire la désintégration du faux vide accélère grandement le processus de transition de phase et détermine le temps de vie du faux vide. Quelques commentaires concernant la limite faible gravité de l’action en théorie des champs sont ajoutés pour compléter l’étude., Metastable vortices formed in a modified abelian Higgs model with gravity are studied both analytically and numerically. Concepts of false vacuum decay and topological solitons are reviewed. The model studied is compared to other models in which vortices are also formed. Classical solutions corresponding to a vortex are found numerically. Their sensitivity to gravitational coupling is highlighted. Zones of stability in parameter space are shown. A so-called “thin-wall” limit of the vortex is obtained for high magnetic flux whithin the vortex’s core. In that case, vortex disintegration, possible because of the true vacuum present inside the vortex, can be studied analytically. In this limit, the exponent associated to vortex tunneling decay rate is half the one associated with ordinary false vacuum decay. This results holds regardless of the gravitational coupling strength. Then, even a small density of vortices accelerates importantly the phase transition from false to true vacuum and determine the false vacuum lifetime. Comments on weak gravity limit of the action in field theory are made to complete this study.

The present invention relates to a device for attenuating the vortex wake generated in the tail section of an aircraft (100), the aircraft having at least one wing (108) and an afterbody (106) with an asymmetric cross-section that sharply decreases towards the top of the rear fuselage (112). The device is positioned downstream of the wing (108) of the aircraft (100), symmetrically relative to the longitudinal plane of the latter. The device comprises aerodynamic vortex-generating appendages (200) suitable for being deployed between a folded position where the aerodynamic appendages are folded substantially in the direction of the fuselage (110) and a deployed position calculated to generate vortex structures having an intensity and following a path that modify the local pressure field in order to interact with the vortex wake and attenuate it, and to move the upsweep vortices away from the longitudinal plane of the aircraft (100).

Semiconductor excitons are bosonic quasi-particles compound of an electron and a hole bound by Coulomb attraction. They can undergo Bose-Einstein condensation in a very original fashion: excitons are distributed among four "spin" states. The lowest energy states are "dark" because optically inactive while at a higher energy, two "bright" states are coupled to the photon field. Below sub-kelvin temperatures, condensation of excitons leads to a macroscopic population of the dark states, as demonstrated in M. Beian's thesis in 2015. This dark condensate is coherently coupled with a small fraction of bright excitons whose their weak photoluminescence emitted allows to probe signatures for quantum coherence. In this thesis, we show the contribution of bright excitons to the Bose-Einstein condensation. We study a 2D dilute gas of excitons confined in a electrostatic trap where we reveal, below a critical temperature of about 1 K, a quantum long-range order with an increased temporal coherence of the photoluminescence emitted by bright excitons. The appearance of quantised vortices, signalled by density defects and phase singularities in spatial interferences patterns, gives us the demonstration that 85% of the trapped excitons participate in the formation of a four-component superfluid where a macroscopic population of dark excitons is coherently coupled with a fraction of condensed bright excitons.; Les excitons semiconducteurs sont des quasi-particules bosoniques composées d’un électron et d’un trou appariés par attraction coulombienne. Ils peuvent subir une condensation de Bose-Einstein dont l’originalité réside dans le fait que les excitons participant au condensat se distribuent de façon cohérente entre quatre états de « spin » : les deux états de plus basse énergie qui sont « noirs » puisqu’ils ne sont pas couplés à la lumière, et les deux états « brillants », à plus haute énergie, permettant de voir les signatures quantiques via une émission cohérente de photons. La condensation des excitons doit donc conduire à une occupation macroscopique des états noirs quand la température est inférieure à 1 K, et a été expérimentalement démontrée en 2015 dans la thèse de M. Beian. Cette thèse montre, cette fois-ci, la participation des excitons brillants à la condensation de Bose-Einstein. En étudiant un gaz bi-dimensionnel d’excitons confinés dans un piège électrostatique, nous montrons, dans le régime dilué, qu’émerge un ordre à longue portée d’origine quantique, avec un accroissement de la cohérence temporelle de la photoluminescence émise par les excitons brillants, en dessous d’une température critique commune d’environ 1 K. La présence de vortex quantiques, signalés par des défauts de densité et par l’apparition de singularités de phase dans les figures d’interférences spatiales, apporte la preuve que 85% des excitons participent à la formation d’un superfluide à quatre composantes, avec une population macroscopique d’excitons noirs couplée de façon cohérente à une fraction d’excitons brillants condensés.

This thesis deals with the use of digital in-line holography to the study of a vortex dynamics under water waves. As waves propagate above an immersed structure, vortices are formed at its edges. Those vortices have a strong impact on the flow dynamics in the vicinity of structures and can cause scouring or damages. Thus we are interested in the three-dimensional dynamics of those vortices which are quickly distorted, leading to their breakup. To study this dynamics, the physical problem is modelled by a basic geometry, a thin plate is set under monochromatic waves. Experiments are conduct within a wave flume of dimensions 10 m long and 30 cm width. To measure the 3D flow the use of an innovative technique, the digital holography which allow a 3D3C measure with only one camera and a laser diode. Its main limitations are the size of the cross-section of the sample volume and the number of particles allowed in it. However, digital holography can localize particles with a pixel sized resolution within the plans parallel to the CCD sensor and a depth resolution in the order of 3 to 5 times the particles diameter. Those measurements enable to follow the path of each particle inside the sample volume. Finally, acquisition by stereo particle image velocimetry confirms the velocities measured by holography and are used to study the interaction between the vortex and the combined action of free surface and the plate., Cette thèse traite de l'application de l'holographie numérique dans l'axe à l'étude d'une dynamique tourbillonnaire dans un champ de houle. Lors du passage de la houle au dessus d'une structure immergée, des tourbillons se forment à ses extrémités. Ces tourbillons ont un impact fort sur la dynamique proche des structures et peuvent engendrer des problèmes d'affouillement ou de vieillissement prématuré. On s'intéresse donc à la dynamique tridimensionnelle de ces tourbillons qui sont rapidement l'objet de déformations menant à leur éclatement. Pour étudier ce mécanisme, le problème est modélisé par une géométrie simple, une plaque soumise à une houle monochromatique. Les expériences sont menées dans un canal à houle de 10 m de long et 30 cm de large. Pour mesurer la dynamique 3D on utilise une technique innovante, l'holographie numérique qui permet une mesure 3D3C au moyen d'une diode laser et d'une seule caméra. Ses principales limitations résident dans la dimension de la section du volume de mesure, qui est de l'ordre de la surface du capteur CCD, ainsi que du nombre de particules présentes dans le champ. Toutefois, l'holographie permet une résolution de l'ordre de la taille d'un pixel dans le plan du capteur CCD et de 3 à 5 fois le diamètre de la particule suivie dans la direction orthogonale au capteur. Ces mesures permettent de suivre individuellement plusieurs centaines de particules dans le champ et d'en mesurer les vitesses. Enfin des mesures complémentaires en stéréo-piv confirment les résultats obtenues par holographie et permettent l'étude du confinement du tourbillon sous l'action combinée de la surface libre et de la plaque.

Dilute ultracold quantum gases form an ideal and highly tunable system in which superuidity can be studied. Recently quantum turbulence in Bose-Einstein condensates was reported [PRL 103, 045310 (2009)], opening up a new experimental system that can be used to study quantum turbulence. A novel feature of this system is that vortex cores now have a finite size. This means that the vortices are no longer one dimensional features in the condensate, but that the radial behaviour and excitations might also play an important role in the study of quantum turbulence in Bose-Einstein condensates. In this paper we investigate these radial modes using a simplified variational model for the vortex core. This study results in the frequencies of the radial modes, which can be compared with the frequencies of the thoroughly studied Kelvin modes. From this comparison we find that the lowest (l=0) radial mode has a frequency in the same order of magnitude as the Kelvin modes. However the radial modes still have a larger energy than the Kelvin modes, meaning that the Kelvin modes will still constitute the preferred channel for energy decay in quantum turbulence., Comment: 8 pages, 1 figure

Jusqu’à présent, la représentation des phénomènes hydrodynamiques ou des écoulements dans des géométries complexes nécessitait la réalisation de modèles réduits hydrauliques. Depuis une vingtaine d’années, l’approche par le calcul numérique tridimensionnel des écoulements s’est développée. Néanmoins, la question de la validité des résultats fournis par les logiciels de CFD reste posée. Dans ce contexte, Le Centre d’Ingénierie Hydraulique d’EDF (EDF-CIH) utilise depuis une dizaine d’années le code volumes finis : Flow3D®. Le but est d’exploiter ce code comme un outil d’ingénierie à part entière. A ce titre, EDF-CIH s’est imposé de qualifier ce code pour les différents domaines d’applications avant de l’utiliser pour ses projets.

Ce mémoire présente les résultats des simulations numériques directes réalisées sur des anneaux vortex à nombre de Reynolds modéré. Dans un premier temps, l'évolution d'anneaux isolés est présentée. Un profil de vorticité gaussien est utilisé puis un profil gaussien compact. Le reste des simulations utilise ce dernier profil comme condition initiale. L'essentiel du contenu de ce document vise à mettre en lumière les mécanismes d'interaction entre deux anneaux. Ces interactions se divisent ici en deux catégories : la reconnexion d'anneaux de même circulation et l'interaction d'anneaux de circulations différentes. La première catégorie est étudiée dans deux configurations différentes : anti-parallèle et entrelacée. Les résultats de l'interaction d'anneaux de circulations différentes sont présentés dans une configuration anti-parallèle. This master thesis shows the results of direct numerical simulations performed on vortex rings at moderate Reynolds number. Firstly, the evolution of isolated rings is shown. A gaussian velocity profile is used and then a compact gaussian profile. The subsequent simulations use the latter profile as initial condition. The main content of this document aims to shed light on the interaction mechanisms between two vortex rings. Those interactions are divided here in two categories : the reconnection of vortex rings of same circulation and the interaction of vortex rings of different circulations. The first category is studied via two different configurations : anti-parallel and linked. The results of the interaction of vortex rings of different circulations are shown in an anti-parallel configuration. Master [120] : ingénieur civil mécanicien, Université catholique de Louvain, 2017

L’aménagement hydroélectrique des chutes de Rusumo est composé d’un barrage de dérivation équipé de vannes segments, d’un ouvrage de prise d’eau, d’un tunnel d’amenée à surface libre, d’une chambre de mise en charge desservant 3 conduites forcées, et d’une centrale située quelques centaines de mètres en aval des chutes. La chambre de mise en charge doit garantir une transition hydraulique satisfaisante entre le tunnel d’amenée et les conduites forcées. Dans le cadre de la conception de l’aménagement, ARTELIA a réalisé un modèle physique de la chambre de mise en charge pour les différentes conditions hydrauliques rencontrées. La géométrie de l’ouvrage (élargissement progressif entre la fin du tunnel et l’entonnement des conduites forcées) conduit à la formation de vortex intermittents mais puissants (type 1 à 5 selon la classification AIRH) avec entraînement de bulles d’air dans les conduites. Les essais itératifs réalisés sur le modèle physique ont permis de mettre au point deux solutions présentant chacune des résultats très satisfaisants. La première consiste en la réalisation d’une dalle inclinée à 35° par rapport à l’horizontale, positionnée au-dessus de l’entonnement des conduites (guidage des écoulements vers les conduites). La seconde solution consiste en la mise en place de deux poutres perforées affleurantes à la surface de l’eau et positionnées en travers de la chambre de mise en charge, au droit de l’axe principal de formation des vortex. Légèrement plus efficace que la première et également moins coûteuse, cette solution a été retenue pour la réalisation des travaux.

In the case of a severe accident in a nuclear power plant, the molten core may flow into water and interact with it. The consequences of this fuel-coolant interaction (FCI) for the follow-up of the accident may be numerous so the phenomenon needs to be described accurately, one of them called “steam explosion” can lead to the failure of the nuclear reactor containment. FCI is a complex multiphase interaction involving several physical phenomena. The premixing phase of the interaction consists in the fragmentation and dispersion of corium in the coolant pool. This phase is driven by the fragmentation process which modifies heat transfers (coolant boiling dynamics) and chemical reactions (corium oxidation and hydrogen generation). This thesis brings new elements about the corium jet and droplet breakup with the main goal of improve fragmentation models on the MC3D multiphase code, developed by the IRSN. Our study is based on a multi-scale fragmentation process where the jet fragmentation rate and final droplet dimensions are not coupled themselves. We suppose a fragmentation process resulting from a primary instability (mass transfer within jet and big droplets) depending on the large flow scales and a secondary instability depending on the small flow scales (leading to final droplet breakup). This model has been implemented in MC3D in combination with the MUSIG method recently added to MC3D. In this method, droplets are represented using several classes, each of them with their own droplet diameter, mass and energy fields. Despite new improvements on modeling corium fragmentation, there is still a lack on the comprehension and characterization on the liquid droplet fragmentation, particularly on liquid/liquid configurations. In this thesis, we study in detail droplet breakup using the computational fluid dynamics software GERRIS. As a result, we find a new droplet breakup classification in liquid/liquid configurations, we improve the droplet breakup dynamics comprehension and we analyze the droplet-vortex interaction to determine breakup regime transition., Lors d’un accident grave dans un réacteur nucléaire (REP ou REB en particulier), le combustible fondu (corium) peut se déverser dans le réfrigérant (eau). L’interaction entre les deux fluides est appelée Interaction Combustible-Réfrigérant. Sous certaines conditions, cette interaction peut conduire à une «explosion de vapeur» qui peut menacer le confinement du réacteur nucléaire. L’ICR est une interaction de caractère multiphasique complexe où divers phénomènes physiques interviennent de manières couplées. Elle débute par une phase de mélange entre les fluides (prémélange), se traduisant par la fragmentation du corium et sa dispersion dans le réfrigérant. Ce processus de fragmentation impacte les échanges thermiques (ébullition et mise en mouvement du fluide environnant (réfrigérant)) et les processus chimiques (oxydation du corium et génération d’hydrogène). Cette thèse apporte de nouveaux éléments concernant la compréhension physique et la modélisation du phénomène de fragmentation du corium, dont l’objectif principal est d’améliorer la modélisation dans le logiciel de thermohydraulique multiphasique MC3D, développé par l’IRSN. L’étude proposée se base sur l’hypothèse de la modélisation de la fragmentation comme un phénomène multi-échelle avec un découplage entre taux de fragmentation du jet et dimension des gouttes résultantes. Elle suppose un processus de fragmentation qui est le résultat d’une déstabilisation primaire (passage jet -> grosses gouttes) pilotée par les grandes échelles de l’écoulement et d’un processus de déstabilisation secondaire menant à une fragmentation finale dépendante des paramètres plus «locaux» de l’écoulement. Nous avons conjugué notre modélisation avec une méthode de type MUSIG récemment introduite dans le logiciel MC3D. Les gouttes de corium y sont représentées, via un découpage en classes, par plusieurs champs de masse et d’énergie avec des diamètres distincts. Malgré les avancées dans la modélisation de la fragmentation, la compréhension des mécanismes et la caractérisation de la fragmentation des gouttes liquides est encore très imparfaite, particulièrement dans le cas liquide/liquide. Le travail de thèse s’est alors orienté vers l’analyse de ce processus en utilisant le logiciel de simulation GERRIS. L’étude conduit à proposer une nouvelle carte de régimes de fragmentation en configuration liquide/liquide, une compréhension plus approfondie de la dynamique de fragmentation et une analyse sur l’interaction vortex-goutte pilotant la transition entre les régimes.

Dans ce travail, j’étudierai principalement un modèle abélien de Higgs en 2+1 dimensions, dans lequel un champ scalaire interagit avec un champ de jauge. Des défauts topologiques, nommés vortex, sont créés lorsque le potentiel possède un minimum brisant spontanément la symétrie U(1). En 3+1 dimensions, ces vortex deviennent des défauts à une dimension. Ils ap- paraissent par exemple en matière condensée dans les supraconducteurs de type II comme des lignes de flux magnétique. J’analyserai comment l’énergie des solutions statiques dépend des paramètres du modèle et en particulier du nombre d’enroulement du vortex. Pour le choix habituel de potentiel (un poly- nôme quartique dit « BPS »), la relation entre les masses des deux champs mène à deux types de comportements : type I si la masse du champ de jauge est plus grande que celle du champ sca- laire et type II inversement. Selon le cas, la dépendance de l’énergie au nombre d’enroulement, n, indiquera si les vortex auront tendance à s’attirer ou à se repousser, respectivement. Lorsque le flux emprisonné est grand, les vortex présentent un profil où la paroi est mince, permettant certaines simplifications dans l’analyse. Le potentiel, un polynôme d’ordre six (« non-BPS »), est choisi tel que le centre du vortex se trouve dans le vrai vide (minimum absolu du potentiel) alors qu’à l’infini le champ scalaire se retrouve dans le faux vide (minimum relatif du potentiel). Le taux de désintégration a déjà été estimé par une approximation semi-classique pour montrer l’impact des défauts topologiques sur la stabilité du faux vide. Le projet consiste d’abord à établir l’existence de vortex classi- quement stables de façon numérique. Puis, ma contribution fut une analyse des paramètres du modèle révélant le comportement énergétique de ceux-ci en fonction du nombre d’enroulement. Ce comportement s’avèrera être différent du cas « BPS » : le ratio des masses ne réussit pas à décrire le comportement observé numériquement., I will consider a generalization of the Abelian Higgs model in 2+1 dimensions. The model describes a scalar field interacting with a U(1) gauge field and gives rise to vortex solutions carrying magnetic flux. In 3+1 dimensions, the vortex becomes a one-dimensional topological defect which appears in condensed matter physics as a vortex line in type-II superconductors. For a strong magnetic flux (large winding number), the vortex presents a thin-wall profile, which gives rise to certain simplifications in the analysis. I will present how the energy of the static configuration depends on the parameters of the model and in particular on the winding number of the vortex. For the usual choice of potential (quartic, called « BPS »), the relation between the masses of the two fields will lead to a type-I or a type-II vortex, as the energy dependence on the winding number show that vortices attract or repel each other respectively. The potential chosen here is a sixth-order polynomial (« non-BPS ») such that the core of the vortex is the true vacuum (absolute minimum) while the field at infinity goes to the false vacuum (local minimum of the potential). Their decay rate into an instable classical configura- tion with growing radius has already been estimated by a semi-classical approximation to show their impact on the stability of the false vacuum. The classical existence of vortex solutions will be shown numerically. My contribution to this work is a scan of the parameters of the model revealing the energetic behavior of the vortices. This behavior will be different from the « BPS » case : the masses ratio will not describe correctly the numerical calculation of the energy.

The interaction of waves with a submerged structure generates intense vortex filaments which have a strong impact on their surroundings. The dynamics of these filaments has strongly three-dimensional mechanisms of destabilization whose characterization is an experimental challenge. To identify and understand these mechanisms, we used digital in-line holography to measure the three-dimensional velocity distribution in the vortex and have a better understanding of the nature of the vortex destabilization., L'interaction de la houle avec une structure immergée génère des filaments tourbillonnaires très intenses qui ont un fort impact sur leur environnement proche. La dynamique de ces filaments présente des mécanismes de déstabilisation fortement tridimensionnels dont la caractérisation représente un défi expérimental. Pour identifier et comprendre ces mécanismes, nous avons utilisé l'holographie numérique dans l'axe afin d'accéder à la distribution tridimensionnelle des vitesses au sein du tourbillon et ainsi mieux comprendre la nature des processus intervenant dans sa déstabilisation.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; L'interaction de la houle avec une structure immergée génère des filaments tourbillonnaires très intenses qui ont un fort impact sur leur environnement proche. La dynamique de ces filaments présente des mécanismes de déstabilisation fortement tridimensionnels dont la caractérisation représente un défi expérimental. Pour identifier et comprendre ces mécanismes, nous avons utilisé l'holographie numérique dans l'axe, par afin d'accéder à la distribution tridimensionnelle des vitesses au sein du tourbillon et ainsi mieux comprendre la nature des processus intervenant dans sa déstabilisation. Ses mesures sont complétées par des mesures en stéréo-piv afin de valider les résultats obtenus par holographie.

The dead zone, a quiescent region enclosed in the turbulent flow of a protoplanetary disk, seems to be a promising site for planet formation. Indeed, the development of a density maximum at the dead zone inner edge, that has the property to trap the infalling dust, is a natural outcome of the accretion mismatch at this interface. Moreover, the flow here may be unstable and organize itself into vortical structures that efficiently collect dust grains. The inner edge location is however loosely constrained. In particular, it depends on the thermodynamical prescriptions of the disk model that is considered. It has been recently proposed that the inner edge is not static and that the variations of young stars accretion luminosity are the signature of this interface displacements. This thesis address the question of the impact of the gas thermodynamics onto its dynamics around the dead zone inner edge. MHD simulations including the complex interplay between thermodynamical processes and the dynamics confirmed the dynamical behaviour of the inner edge. A first measure of the interface velocity has been realised. This result has been compared to the predictions of a mean field model. It revealed the crucial role of the energy transport by density waves excited at the interface. These simulations also exhibit a new intriguing phenomenon: vortices forming at the interface follow a cycle of formation-migration-destruction. This vortex cycle may compromise the formation of planetesimals at the inner edge. This thesis claims that thermodynamical processes are at the heart of how the region around the dead zone inner edge in protoplanetary disks works.; La zone morte, région laminaire confinée au coeur des disques protoplanétaires dont la turbulence de l'écoulement à petite échelle explique l'accrétion de matière sur l'étoile en formation, semble être un lieu propice à la formation planétaire. En effet, au bord interne de la zone morte la différence d'accrétion entraîne le développement d'une sur-densité capable de piéger les grains de poussière qui dérivent vers l'étoile. L'écoulement à cet endroit est de plus potentiellement instable. Le cas échéant, il s'organise en structures tourbillonnaires appelées ''vortex'' qui collectent efficacement la poussière. La position du bord interne est toutefois très incertaine et dépend en particulier de la thermodynamique du modèle de disque considéré. Récemment, le déplacement du bord interne a été envisagé pour expliquer la variabilité de l'accrétion des étoiles jeunes. Cette thèse aborde le problème posé par l'influence de la thermodynamique sur la dynamique du bord interne de la zone morte. Des simulations MHD qui incluent le couplage entre les processus thermodynamiques avec la dynamique de l'écoulement ont tout d'abord permis de confirmer le comportement dynamique du bord interne ainsi que de réaliser la mesure inédite de sa vitesse typique de déplacement. La comparaison de ces résultats avec les prédictions données par un modèle de champ moyen a révélé le rôle du transport d'énergie par des ondes excitées au bord interne de la zone morte. Ces simulations présentent de plus un phénomène nouveau: les vortex formés à l'interface suivent un cycle de formation-migration-destruction. Cette découverte est susceptible de modifier notre vision du scénario de formation planétaire. En résumé, cette thèse met en évidence le fait que les processus thermodynamiques sont au coeur du fonctionnement de la région du bord interne de la zone morte dans les disques protoplanétaires.

The carotid artery is very important because its main function, with the basilar artery, is to irrigate the brain. The blood flow in this region is complex during a cardiac cycle. The various shapes of flow, in particular, the vortex, has rarely been discussed before and the beating of the arterial wall has not been taken into account. This thesis is a contribution to understand the evolution of the vortex and its factors, in particular the beating of arterial wall in experimental research at the carotid bifurcation. The elastic carotid phantoms with transparency and similar elasticity to real arterial walls properties have been made by rapid prototyping technique. The descriptions of vortex in the rigid and elastic carotid phantoms have been studied in two ways : longitudinal by a high-speed frame camera and tranversal by MRI sequences. An economic PIV platform that can accurately quantify the vortex by velocity vectors has been mounted. Asegmentation method to quantify and analyze the area of the vortex has been developed to study its evolution during the cardiac cycle by MRI. The reproducibility of the vortex has been validated by a statistical approach. The parameters influencing the behavior of vortex have been investigated in rigid and elastic phantoms. At the end, the study of vortex in real-carotid-shaped phantom has been tested for the first time.; La carotide est une artère très importante, car elle a pour fonction, principale avec le tronc basilaire d'irriguer le cerveau. Le flux sanguin dans cette région est complexe durant un cycle cardiaque. Les différentes formes de flux et en particulier le vortex ont rarement été discutés auparavant, et le battement de la paroi n'est pas pris en compte. Ce travail de thèse est une contribution pour comprendre l'évolution du vortex et les éléments qui l'influencent, en particulier les battements de parois, pour une recherche expérimentale au niveau de modèles de la bifurcation carotidienne. Les fantômes de carotide avec une transparence et une élasticité des parois artérielles proches de la réalité ont été réalisés par la technique de prototypage rapide. La description des phénomènes de flux et de vortex ont été réalisée dans les fantômes rigide et souple des carotides essentiellement de deux manières : longitudinalement par caméra rapide et transversalement par IRM. Une plateforme économique de PIV a été établie pour quantifier précisément le comportement du vortex avec des vecteurs de vitesse. Une méthode de segmentation de région de vortex et une analyse quantitative ont été mises au point pour étudier leur évolution durant le cycle cardiaque par IRM. La reproductibilité du vortex a été validée par une approche statistique. Les paramètres influençant le comportement des vortex dans les fantômes souple et rigide ont été étudiés. Enfin, une étude de faisabilité sur les vortex dans les fantômes en forme de carotide réelle a été réalisée pour la première fois.

In type II superconductors, the applied magnetic field penetrates the material in quanta of flux called vortices, vortices of superconducting currents circulating around a normal core. In the work of this thesis, we show how the confinement of a system to a scale comparable to the nanometric coherent length substantially modifies its superconducting properties.This study is carried out in nanostructures of lead deposited in-situ on a silicon (111) substrate, then studied by scanning tunneling spectroscopy, under UHV, at 300 mK, and under magnetic field. In extremely confinement (lateral size D<, Dans les supraconducteurs de type II, le champ magnétique pénètre le matériau sous forme de vortex, tourbillon de courants supraconducteurs circulant autour d'un coeur normal. Dans les travaux de cette thèse, nous montrons comment le confinement d'un système à une échelle comparable à la longueur de cohérence nanométrique modifie sensiblement ses propriétés supraconductrices.Cette étude est menée dans des nanostructures de plomb déposé in-situ sur un substrat de silicium (111), puis mesurées par spectroscopie à effet tunnel, sous UHV, à 300 mK et sous champ magnétique.En confinement extrême (taille latérale D<

Polaritons are bosonic quasiparticles coming from the strong coupling between photons andexcitons in a solid-state semiconductor microcavity. Due to their short lifetime and theirstrong nonlinear interactions, polaritons are an ideal system to study fundamental problems ofout-of-equilibrium quantum hydrodynamics as well as more applied problematic in quantumoptics, such as the implementation of ultrafast opto-electronic switches or the generation ofnon-classical states of light.In this thesis the two themes are treated. In the first part of my thesis I will depict severalschemes by which we optically inject a controlled angular momentum in a polartion superfluid,in order to observe its nucleation into elementary vortices. The impact of the geometry, disorder,and polariton-polariton nonlinear interactions is studied. We show the conservation of angularmomentum in the steady state regime despite the open, out-of-equilibrium nature of the system.In the linear regime, an interference pattern containing phase defects is visible. In the nonlinear(superfluid) regime, the interference disappear and the vortices nucleate as a consequence of theangular momentum conservation. Finally, constraining the geometry we were able to create ina controlled way a stable ring of elementary vortices of the same sign, opening the way to thestudy of vortex-vortex interactions in quantum fluids of light [1].A second aspect of polaritons is the quantum properties of their emitted light. In thesecond part of the manuscript I describe a novel source of continuous-variable squeezed light inpillar-shaped semiconductor microcavities in the strong coupling regime. Indeed, the generationof squeezed and entangled light fields is a crucial ingredient for the implementation of quantuminformation protocols. In this context, semiconductor materials offer a strong potential forthe implementation of on-chip devices operating at the quantum level. Here, degeneratepolariton four-wave mixing is obtained by exciting the pillar at normal incidence. We observe abistable behavior and we demonstrate the generation of squeezing near the turning point of thebistability curve. The confined pillar geometry allows for a larger amount of squeezing thanplanar microcavities due to the discrete energy levels protected from excess noise. By analyzingthe noise of the emitted light we obtain a measured intensity squeezing of 20:3%, inferred to be35:8% after corrections for losses in the detection setup., Les polaritons sont des quasi-particules bosoniques venant du couplage fort entre des photons decavité et des excitons confinés dans une hétérostructure semiconductrice. De par leur temps de vie trèscourt et leur très fortes interactions, les polaritons sont un système idéal pour étudier des problèmesfondamentaux d’hydrodynamique quantique hors équilibre ainsi que des aspects plus appliquésd’optique quantique, comme l’implémentation de transistors opto-electroniques ultra-rapides ou lagénération d’états non-classiques de la lumière.Ces deux thèmes sont traités dans cette thèse. Dans la première partie j’y dépeins plusieursméthodes par lesquelles on injecte optiquement un moment angulaire donné dans un superfluide depolaritons, afin d’observer sa nucléation en plusieurs vortex élémentaires. L’impact de la géometrie, dudésordre et de l’interaction nonlinéaire de type "polariton-polariton" sont étudiés. Nous démontronsla conservation du moment angulaire dans le régime stationnaire malgré la nature hors équilibre etouverte du système. Dans le régime linéaire, un reseau d’interférences contenant des singularitésde phase (vortex optiques) est visible. Dans le régime nonlinéaire (superfluide), les interférencesdisparaissent et des vortex du même signe se forment en conséquence de la conservation du momentangulaire injecté. Enfin, en ajoutant une contrainte sur la géométrie du système nous avons créé demanière controlée un anneau stable de vortex élémentaire du même signe, ce qui pourrait ouvrir lavoie à l’étude des interactions inter-vortex dans les fluides quantiques de lumière.Un autre aspect des polaritons sont les propriétés quantiques de la lumière qu’ils émettent. Dansla seconde partie de cette thèse, je décris une source améliorée de lumière comprimée en régime devariables continues dans des micropiliers semiconducteurs en régime de couplage fort. En effet, lagénération de lumière comprimée et intriquée est un ingrédient crucial pour l’implémentation deprotocoles en information quantique. Dans ce contexte, les matériaux semiconducteurs ont un grandpotentiel pour la réalisation d’éléments sur puce opérant au niveau quantique. Ici, un mélange àquatre ondes dégénérées est obtenu en excitant le micro-pilier à incidence normale. Nous observonsun comportement bistable et démontrons la génération de lumière comprimée près du point tournantde la courbe de bistabilité. La nature confinée de la géométrie du piller permet d’atteindre un taux decompression bien supérieur que dans les microcavités planaires, grâce aux niveaux d’énergies discretsprotégés des excès de bruits. En analysant le bruit dans la lumière émise par les micro-piliers, nousobtenons une réduction du bruit d’intensité mesurée à 20:3%, et estimée à 35:8% après correction despertes de détection.

This thesis is a contribution to the understanding of the vortical flow in connection with the non-linear aerodynamic behavior of the UCAV SACCON configuration, 53° sweep angle with spanwise variation of leading-edge. Experimental wind tunnel tests were performed on a model to characterize the complex vortical flow field causes the pitch down/up and roll/yawing instabilities due to its asymmetric occurrence. Unsteady vortical substructures emanating from the leading edge and convected in the mixing layer were detected by criterion in stereoscopic PIV measurements. Comparison of these measurements with numerical investigations reveals that simulations predict the overall behavior of the aircraft. The second part of the work has been devoted to increase aerodynamic performances of the UCAV by means of some control strategies. Experimental measurements and numerical simulations confirmed that the implementation of flow control devices at leading edge changed the topology of vortical flow field and contributed to improve the behavior of the UCAV., Cette thèse est une contribution à l'étude de l'écoulement autour d'un drone UCAV générique. L'écoulement tourbillonnaire se développant à l'extrados d'aile volante à flèche modérée peut générer des phénomènes aérodynamiques non linéaires et ainsi dégrader fortement les qualités de vol, les performances aérodynamiques et limiter le domaine de vol. Plusieurs études expérimentales en soufflerie ont été réalisées sur une maquette de drone de flèche 53° afin de décrire les phénomènes de pitch down/up et d'instabilité latérale. Une analyse détaillée des mesures PIV a permis de mettre en évidence une topologie tourbillonnaire complexe à l'origine du comportement non linéaire du drone. L'utilisation d'un critère topologique a permis la détection de sous structures tourbillonnaires et instationnaires émanant du bord d'attaque et convectées dans la couche de mélange. La compréhension de la phénoménologie de l'écoulement tourbillonnaire a été complétée par différentes simulations numériques. Ces simulations numériques ont permis de prédire globalement le comportement de l'aéronef. La deuxième partie de cette thèse concerne le contrôle de l'écoulement aérodynamique à l'extrados du drone afin d'améliorer les performances aérodynamiques. Une stratégie de contrôle par des dispositifs passifs a été évaluée expérimentalement et numériquement. La mise en place de dispositifs de contrôle aux bords d'attaque a permis une modification significative de la topologie de l'écoulement tourbillonnaire à l'extrados du drone. Ces dispositifs ont ainsi contribué à une réduction de l'influence des phénomènes aérodynamiques non linéaires sur le comportement du drone.

This thesis is a contribution to the understanding of the vortical flow in connection with the non-linear aerodynamic behavior of the UCAV SACCON configuration, 53° sweep angle with spanwise variation of leading-edge. Experimental wind tunnel tests were performed on a model to characterize the complex vortical flow field causes the pitch down/up and roll/yawing instabilities due to its asymmetric occurrence. Unsteady vortical substructures emanating from the leading edge and convected in the mixing layer were detected by criterion in stereoscopic PIV measurements. Comparison of these measurements with numerical investigations reveals that simulations predict the overall behavior of the aircraft. The second part of the work has been devoted to increase aerodynamic performances of the UCAV by means of some control strategies. Experimental measurements and numerical simulations confirmed that the implementation of flow control devices at leading edge changed the topology of vortical flow field and contributed to improve the behavior of the UCAV.; Cette thèse est une contribution à l'étude de l'écoulement autour d'un drone UCAV générique. L'écoulement tourbillonnaire se développant à l'extrados d'aile volante à flèche modérée peut générer des phénomènes aérodynamiques non linéaires et ainsi dégrader fortement les qualités de vol, les performances aérodynamiques et limiter le domaine de vol. Plusieurs études expérimentales en soufflerie ont été réalisées sur une maquette de drone de flèche 53° afin de décrire les phénomènes de pitch down/up et d'instabilité latérale. Une analyse détaillée des mesures PIV a permis de mettre en évidence une topologie tourbillonnaire complexe à l'origine du comportement non linéaire du drone. L'utilisation d'un critère topologique a permis la détection de sous structures tourbillonnaires et instationnaires émanant du bord d'attaque et convectées dans la couche de mélange. La compréhension de la phénoménologie de l'écoulement tourbillonnaire a été complétée par différentes simulations numériques. Ces simulations numériques ont permis de prédire globalement le comportement de l'aéronef. La deuxième partie de cette thèse concerne le contrôle de l'écoulement aérodynamique à l'extrados du drone afin d'améliorer les performances aérodynamiques. Une stratégie de contrôle par des dispositifs passifs a été évaluée expérimentalement et numériquement. La mise en place de dispositifs de contrôle aux bords d'attaque a permis une modification significative de la topologie de l'écoulement tourbillonnaire à l'extrados du drone. Ces dispositifs ont ainsi contribué à une réduction de l'influence des phénomènes aérodynamiques non linéaires sur le comportement du drone.

Since 2004, research on radiofrequency (RF) spintronic devices has been very active, both from a fundamental point of view as well as for their potential applications as RF oscillators or spin-diodes. These devices are based on spin transfer torque (STT). In this context, I studied vortex oscillators based on ultra-low resistance magnetic tunnel junctions in which vortex dynamics is driven into a periodic motion by STT. The vortex oscillations are observed when the junction is subjected to a large dc bias current and a low in-plane field. The dc current produces both a large Oersted field which contributes to the vortex nucleation and a STT that starts the vortex oscillation. This oscillation leads to a large output power up to 20nW with a fundamental frequency around 450MHz and many harmonics.Synchronization with an external signal was then tested by adding a RF current to the dc bias current. With a large enough input power, the oscillator locks on the external source: the noise is then drastically reduced and the spectral purity of the signal significantly increases. These observations are explained by describing the system as a parametric oscillator. This model predicts, as experimentally observed, that, for a small amplitude of the RF excitation, a dynamical instability can be more easily reached when its frequency is twice the natural frequency of the oscillator than for any other frequencies.Then, I performed frequency modulation measurements by exciting the dc-biased sample with a low frequency ac-current. The power spectral density was measured as I swept the modulation frequency for various modulation powers. It appears that the description previously used to describe modulation experiments does not apply when the modulation frequency is a significant fraction of the natural frequency. The vortex response time appears to play a significant role, so that the concept of deviation sensitivity has to be introduced to explain the observations: it corresponds to the dynamical dependence of the oscillator frequency with an applied current that varies with time., Depuis 2004, les composants radiofréquence (RF) suscitent un intérêt croissant au sein de la communauté spintronique, tant du point de vue de la physique fondamentale que des applications potentielles. Ces composants ont émergé suite à la découverte du couple de transfert de spin (STT) qui permet d'exciter l'aimantation grâce à un courant électrique. Dans ce contexte, j'ai étudié des oscillateurs à vortex basés sur des jonctions tunnel magnétiques à très faible résistance dans lesquelles un vortex magnétique suit un mouvement périodique dû au STT.On observe des oscillations de ce vortex lorsque la jonction est polarisée par un large courant dc sous un faible champ planaire. En effet, le courant produit à la fois un fort champ d'Ampère, qui contribue à la nucléation du vortex, et génère le STT qui met le vortex en mouvement. Grâce à l'oscillation du vortex, ces composants émettent un signal RF d'une forte puissance (jusqu'à 20nW) avec une fréquence naturelle d'environ 450MHz.J'ai étudié la synchronisation de ces oscillateurs en injectant, en plus courant continu, une excitation RF. Lorsque ce signal d'excitation est suffisamment puissant, l'oscillateur se verrouille sur la source externe. On observe une diminution du bruit autour du pic fondamental et une augmentation de l'amplitude de celui-ci. J'explique ces observations en modélisant le système en tant qu'oscillateur paramétrique. Cette modélisation permet de décrire certains phénomènes observés expérimentalement, comme le fait qu'il est plus facile d'atteindre le régime d'instabilité dynamique quand la fréquence de l'excitation est égale à deux fois la fréquence naturelle de l'oscillateur.Ensuite, j'ai réalisé une expérience de modulation de fréquence (FM), en excitant l'échantillon avec une onde RF à basse fréquence. L'expérience consiste à mesurer la densité spectral de puissance du signal tout en balayant la fréquence de l'onde de modulation et ceci à différente puissance. Il apparait alors que la description usuelle de la FM ne puisse plus être utilisée dans notre cas, car la fréquence de modulation est trop grande par rapport à la fréquence naturelle. Cela est dû au fait que le vortex met un certain temps à répondre à une excitation. Pour expliquer mes mesures, j'ai donc dû introduire le concept de sensibilité à la déviation, qui correspond à la dépendance de la fréquence de l'oscillateur avec le courant quand celui-ci varie périodiquement.

This work is devoted to the study of polariton quantum fluids in semiconductor microcavities and in particular to the generation of solitons, half-solitons and vortex lattices in these systems. We develop an experimental setup allowing for the generation and the observation of dark solitons in a polariton fluid. We observe characteristic density and phase profiles, and study the stability of solitons. We show experimentally that using a linearly polarised pump, half-solitons are formed due to the effective magnetic field arising in presence of the two spin populations. After the characterization of the half-solitons in density and phase, we perform a complete tomography of the emission to extract the information stored in the pseudospin. These studies allow us to highlight a formal analogy between half-solitons and magnetic monopoles. Then we investigate vortex trapping techniques. We make use of metallic masks to create potential wells trapping hydrodynamically generated vortex in the wake of a defect. At low polariton density we used the masks to realise vortex and antivortex lattices with adjustable shape and size. The study of the polariton-polariton interaction at high density leads us to use an experimental setup with several pumps allowing for the observation of strong modifications and washing-out of the lattices., Ce travail est consacré à l'étude des fluides quantiques de polaritons de microcavités semi-conductrices et en particulier à la génération de solitons, de demi-solitons et de réseaux de vortex. Nous avons développé un dispositif expérimental permettant la génération et l'observation de solitons sombres dans un fluide de polaritons. Nous observons les profils de densité et de phase caractéristiques des solitons, et étudions leurs propriétés de stabilité. Nous montrons expérimentalement que l'utilisation d'une pompe polarisée linéairement mène à la formation de demi-solitons, grâce au champ magnétique effectif existant en présence des deux populations de spin. Après avoir caractérisé les demi-solitons en densité et en phase, une tomographie complète du système est effectuée pour extraire l'information stockée dans le pseudospin. Ces études nous permettent de formuler une analogie formelle entre les demi-solitons et les monopoles magnétiques. Enfin, nous nous intéressons à des techniques de piégeage de vortex. Nous mettons à profit l'utilisation de masques métalliques pour créer des puits de potentiels piégeant les vortex générés hydrodynamiquement lors de l'écoulement du fluide sur un défaut à basse densité de polaritons. Nous utilisons ces masques pour réaliser des réseaux géométriques de vortex et d'antivortex à basse densité de polaritons dont la forme et la taille sont contrôlables. L'étude des effets d'interaction polariton-polariton à haute densité menée grâce à un dispositif expérimental à plusieurs faisceaux d'excitations nous permet d'observer la déformation et la destruction du réseau dues à l'annihilation des paires vortex-antivortex.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; Expérimentalement, on injecte de l'eau et une solution d'eau et de colorant fluorescent dans une jonction en X formée de canaux de sections carrée ou rectangulaire. Les fluides sont injectés dans des canaux se faisant face avec des débits égaux. La distribution des écoulements à la sortie de la jonction est déterminée par une technique de fluorescence induite par laser. L'étude considère l'effet de l'angle de la jonction et du rapport d'aspect des sections sur la répartition des fluides. Seul des écoulements aux faibles nombres de Reynolds ont été considérés. Les mesures montrent que la plus grande partie d'un fluide injecté sort préférentiellement dans celui des canaux de sortie qui fait un angle aigu avec le canal d'injection: c'est le contraire de ce qu'on attendrait pour des écoulements inertiels et implique une forte courbure des lignes de courant dans la jonction. Ce résultat contre-intuitif reflète la minimisation de la dissipation d'énergie dans les écoulements de Stokes. Dans l'autre canal, la proportion (minoritaire) de ce fluide décroit de 50% pour un angle de jonction de 90° à 0 pour un angle de l'ordre de 35°. Des simulations numériques d'un écoulement bidimensionnel de Stokes dans une géométrie équivalent montrent que, en dessous d'un angle seuil de 33,8°, il apparaît dans la partie centrale de la jonction des cellules de recirculation qui séparent les deux écoulements injectés. Si on réduit encore l'angle de jonction, il apparaît de nouvelles cellules de recirculation comparables à des vortex de Moffatt. On discutera l'évolution de ces résultats lorsqu'on change le rapport d'aspect des canaux en réduisant leur ouverture dans le plan de la jonction.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; L'étude des écoulements turbulents bidimensionnels sur une sphère en rotation peut constituer une première étape dans la compréhension des écoulements de l'atmosphère ou du manteau terrestre. Les écoulements de l'atmosphère et du manteau terrestre sont turbulents influencés par la rotation de la terre et la convection thermique y joue un rôle important. Le système modèle que nous proposons ici est constitué d'une demi bulle de savon dont la base repose sur le bord d'un canal circulaire chauffé, d'une dizaine de centimètres de diamètre. La température inférieure de l'air ambiant est contrôlée indépendamment. L'équateur de la demi bulle est donc plus chaud que le pôle. La convection thermique engendre dans le film de la demi bulle un écoulement turbulent constitué de plumes de convection. Les plumes de convection peuvent donner naissance à des vortex cohérents. La trajectoire et l'intensité constituent les deux volets de l'étude de ces vortex. La trajectoire du centre de ces vortex est régie par une loi de puissance du déplacement quadratique moyen au cours du temps. Cette loi est valide de façon statistique pour les cyclones terrestres. Elle permet une prévision simple de leur trajectoire assortie de leur cône d'incertitude, nécessitant peu de puissance de calcul. L'intensité d'un vortex peut être caractérisée si on connaît son champs de vitesse. L'ensemencement du film de savon pour faire de la vélocimétrie par image de particules est problématique. Pour caractériser l'intensité d'un vortex dans le cas de la demi bulle de savon, la méthode que nous avons utilisée est la mesure de la vitesse lagrangienne par suivi de particules de fluide tournant dans le vortex. Les premiers résultats indiquent des oscillations de la vitesse d'une particule en lien avec la nature elliptique de sa trajectoire. Le mouvement trochoïdal observé au cours d'une phase d'intensification des cyclones terrestres est également observé sur quelques vortex de la bulle de savon. Les effets de la rotation sur les propriétés de ces vortex seront discutés.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; Une étude numérique est menée sur les instabilités présentes dans un jet bidimensionnel confiné. La technique numérique des volumes finis est utilisée. Cette étude permet de préciser l’influence des paramètres numériques de l’écoulement ainsi que les couplages dynamique et thermique sur les régimes observés. On présente une analyse en modes, afin de dégager les fréquences caractéristiques de l'instabilité. La perturbation de l'écoulement à l'entrée permet de détecter les fréquences les plus amplifiées et mettre en évidence différents modes d'instabilités. Les valeurs du nombre de Strouhal permettront de vérifier l'instationnarité de l'écoulement. L'énergie des structures tourbillonnaires est le critère utilisé pour la compréhension des phénomènes de détachement et appariellement. Le contrôle de l'écoulement pourrait être actif ou passif.

The study was performed experimentally. The vortices are generated by interaction between a monochromatic wave and a horizontal thin plate used as vortex generator. Their characterisation has been done in two and three dimensions. The two-dimensional vortex dynamics is characterized using PIV measurements. We observed the formation of downstream and upstream vortex pairs which are mutually advected toward the flume bottom and the free surface respectively. These evolutions are characterised through mean vortex trajectories computed thanks to λ2 criteria. It shows the presence of two stagnation point at the flume bottom due to the vortex pair advection and to the presence of two adjacent recirculation cells under the plate. These points would be a location of scouring phenomenon in the case of a sea bed. The three-dimensional vortex destabilisation has been studied thanks to the stereo-videography. The vortex cores are visualised with hydrogen micro bubbles generated at the edges of the plate by electrolysis. The deformation modes study, using a Fourier and a wavelet analysis, revealed that the deformation modes vary over the wave period. Strong axial velocity had been visualised on the vortex cores from the beginning of their development. These velocities are characteristics of strong destabilisations and vortex bursting.; L'étude de la dynamique tourbillonnaire autour des structures immergées dans la mer est entreprise pour comprendre l'impact de ces implantations sur l'environnement. Les tourbillons sont étudiés en considérant l'interaction entre une plaque horizontale et une houle monochromatique. Cette houle est générée dans un canal à houle vitré possédant un batteur et une plage d'amortissement. La Vélocimétrie par Image de Particule (PIV) et la Stéréo-Vidéographie sont utilisées pour suivre les tourbillons dans leur évolution. La PIV, qui est une technique de visualisation 2D, a permis de montrer que les tourbillons jouent un rôle essentiel dans la dynamique de l'écoulement autour de la plaque. En effet, l'écoulement est très différent de celui prédit par les modèles analytiques qui ne prennent pas en compte la dynamique tourbillonnaire. Émis aux bords de plaque, ces tourbillons évoluent par paires et sont advectés dans le sillage de la plaque en amont et en aval. De très fortes vitesses sont induites lors de l'advection des tourbillons et rendent l'écoulement autour de la plaque fortement asymétrique. Cette asymétrie est aussi constatée lorsque la circulation autour de la plaque est calculée. Elle induit des efforts de portance non négligeables sur la plaque. À chaque nouvelle période de houle, les paires de tourbillons alimentent des cellules de recirculation autour de la plaque. Au fond du canal, ces dernières induisent des points de stagnation et conduiraient à de l'affouillement dans le cas d'un lit sédimentaire. La Stéréo-Vidéographie a, quant à elle, permis de représenter l'évolution spatio-temporelle des filaments tourbillonnaires. Ces représentations, ainsi qu'une analyse spectrale, ont permis de montrer qu'il n'existe pas de longueurs d'onde caractéristiques de déformation des filaments tourbillonnaires. Cependant, trois perturbations de grande longueur d'onde ont pu être identifiées. Leur longueur d'onde et leur position varient au cours du temps. Elles pourraient être associées au développement d'ondes, type soliton, observées au cœur du tourbillon. De fortes vitesses axiales ont été mesurées au cœur des tourbillons dans le sillage de ces ondes. Ces vitesses sont caractéristiques de fortes déstabilisations ainsi que d'éclatements tourbillonnaires.

Formation of charge density waves (CDW) is a symmetry breaking phenomenon found in electronic systems, which is particularly common in quasi-one-dimensional conductors. It is widely observed from highly anisotropic materials to isotropic ones like the superconducting pnictides. The CDW is seen as a sinusoidal deformation of coupled electronic density and lattice modulation; it can be also viewed as a crystal of singlet electronic pairs. In the CDW state, the elementary units can be readjusted by absorbing or rejecting pairs of electrons. Such a process should go via topologically nontrivial configurations: solitons and dislocations - the CDW vortices. An experimental access to these inhomogeneous CDW states came from studies of nano-fabricated mesa-junctions, from the STM and from the X-ray micro-diffraction. Following these requests, we have performed a program of modeling stationary states and of their transient dynamic for the CDW in restricted geometries under applied voltage or at passing normal currents. The model takes into account multiple fields in mutual nonlinear interactions: the two components of the CDW complex order parameter, and distributions of the electric field, the density and the current of normal carriers. We were using the Ginzburg-Landau type approach and also we have derived its extension based on the property of the chiral invariance. We observed the incremental creation of static dislocations within the junctions. The transient dynamics is very rich showing creation, annihilation and sweeping of multiple vortices. The dislocations cores concentrate the voltage drops thus providing self-tuned microscopic junctions where the tunneling creation of electron-hole pairs can take place. The results obtained from this model agree with experiment observations. The methods can be extended to other types of charge organization known under the general name of the Electronic Crystal. It takes forms of Wigner crystals at hetero-junctions and in nano-wires, CDWs in chain compounds, spin density waves in organic conductors, and stripes in doped oxides. The studied reconstruction in junctions of the CDW may be relevant also to modern efforts of the field-effect transformations in strongly correlated materials with a spontaneous symmetry breaking.; La formation des ondes de densité de charge (ODC) est un phénomène de brisure de symétrie qui apparaît dans systèmes électroniques, et particulièrement dans les conducteurs quasi-unidimensionnels. Elle est observée aussi bien dans les matériaux très anisotropes que les isotropes comme par exemple les supraconducteurs pnictures. L'ODC peut être vue comme une déformation sinusoïdale de la densité électronique et de la modulation du réseau, ou également comme un cristal de singulets électroniques. Dans un état d'ODC, les cellules élémentaires peuvent être modifiées en absorbant ou en rejetant des paires d'électrons. Un tel processus passe par des configurations topologiquement non triviales: des solitons et des dislocations, ou plus généralement des vortex d'ODC. Ces états inhomogènes peuvent être obtenus expérimentalement dans des nano-produits appelés ''mésa-jonctions'', et observés à l'aide d'un microscope à effet tunnel ou d’une radiographie par micro-diffraction. Afin de simuler ces expériences, nous avons réalisé un programme modélisant les états stationnaires d'ODC ainsi que leur dynamique transitoire à travers des géométries restreintes auxquelles sont appliquées une tension ou un courant. Le modèle prend en compte plusieurs champs en interaction non linéaire: le paramètre d'ordre complexe d'ODC, la distribution de champ électrique, ainsi que la densité et le courant des autres porteurs de charge. Nous avons utilisé une approche de type Ginzburg-Landau ainsi qu'une extension basée sur une propriété d'invariance chirale. A l'aide de ce programme, nous avons observé la création progressive de dislocations statiques dans les jonctions. La dynamique transitoire est alors très riche avec notamment des créations, des annihilations et des balayages de vortex multiples. Des chutes de tension apparaissent au centre des dislocations, créant ainsi des jonctions tunnel microscopiques à travers lesquelles transitent des paires électron-trou. Les résultats qualitatifs obtenus sont en très bon accord avec les observations expérimentales. Ce model peut aussi être étendu à tout type de cristaux électronique comme les cristaux de Wigner dans les hétéro-jonctions et les nano-fils, les ODC dans les composés de chaîne, les ondes de densité de spin dans les conducteurs organiques, ou encore les structures de bandes dans les oxydes dopés. La reconstruction des ODC dans les jonctions tunnel peut aussi trouver son importance dans l'étude des effets de champs sur les matériaux fortement corrélés induisant des brisures spontanées de symétries.

The study was performed experimentally. The vortices are generated by interaction between a monochromatic wave and a horizontal thin plate used as vortex generator. Their characterisation has been done in two and three dimensions. The two-dimensional vortex dynamics is characterized using PIV measurements. We observed the formation of downstream and upstream vortex pairs which are mutually advected toward the flume bottom and the free surface respectively. These evolutions are characterised through mean vortex trajectories computed thanks to λ2 criteria. It shows the presence of two stagnation point at the flume bottom due to the vortex pair advection and to the presence of two adjacent recirculation cells under the plate. These points would be a location of scouring phenomenon in the case of a sea bed. The three-dimensional vortex destabilisation has been studied thanks to the stereo-videography. The vortex cores are visualised with hydrogen micro bubbles generated at the edges of the plate by electrolysis. The deformation modes study, using a Fourier and a wavelet analysis, revealed that the deformation modes vary over the wave period. Strong axial velocity had been visualised on the vortex cores from the beginning of their development. These velocities are characteristics of strong destabilisations and vortex bursting., L'étude de la dynamique tourbillonnaire autour des structures immergées dans la mer est entreprise pour comprendre l'impact de ces implantations sur l'environnement. Les tourbillons sont étudiés en considérant l'interaction entre une plaque horizontale et une houle monochromatique. Cette houle est générée dans un canal à houle vitré possédant un batteur et une plage d'amortissement. La Vélocimétrie par Image de Particule (PIV) et la Stéréo-Vidéographie sont utilisées pour suivre les tourbillons dans leur évolution. La PIV, qui est une technique de visualisation 2D, a permis de montrer que les tourbillons jouent un rôle essentiel dans la dynamique de l'écoulement autour de la plaque. En effet, l'écoulement est très différent de celui prédit par les modèles analytiques qui ne prennent pas en compte la dynamique tourbillonnaire. Émis aux bords de plaque, ces tourbillons évoluent par paires et sont advectés dans le sillage de la plaque en amont et en aval. De très fortes vitesses sont induites lors de l'advection des tourbillons et rendent l'écoulement autour de la plaque fortement asymétrique. Cette asymétrie est aussi constatée lorsque la circulation autour de la plaque est calculée. Elle induit des efforts de portance non négligeables sur la plaque. À chaque nouvelle période de houle, les paires de tourbillons alimentent des cellules de recirculation autour de la plaque. Au fond du canal, ces dernières induisent des points de stagnation et conduiraient à de l'affouillement dans le cas d'un lit sédimentaire. La Stéréo-Vidéographie a, quant à elle, permis de représenter l'évolution spatio-temporelle des filaments tourbillonnaires. Ces représentations, ainsi qu'une analyse spectrale, ont permis de montrer qu'il n'existe pas de longueurs d'onde caractéristiques de déformation des filaments tourbillonnaires. Cependant, trois perturbations de grande longueur d'onde ont pu être identifiées. Leur longueur d'onde et leur position varient au cours du temps. Elles pourraient être associées au développement d'ondes, type soliton, observées au cœur du tourbillon. De fortes vitesses axiales ont été mesurées au cœur des tourbillons dans le sillage de ces ondes. Ces vitesses sont caractéristiques de fortes déstabilisations ainsi que d'éclatements tourbillonnaires.

The physical properties of homogeneous matter at thermal equilibrium are characterized by its equation of state: a relationship between different thermodynamic quantities. The two-dimensionnal Bose gas is particular in this respect because its equation of state is scale invariant in the presence of weak repulsive atomic interactions. Another remarkable feature of the 2D Bose gas is the existence of a phase transition to a superfluid state at low temperature. In this PhD thesis I present a measurement of the equation of state of the homogeneous 2D Bose gas for three thermodynamic quantities: the reduced pressure, the phase-space density and the entropy per particle. I also present a measurement of the interaction energy of a 2D gas trapped in a harmonic potential. This measurement highlighted the existence of a phase preceding the superfluid phase, in which density fluctuations are strongly reduced. This phase is an essential step in the establishment of the superfluid transition. Finally, I describe the observation of signatures of vortices in 2D Bose gases. These vortices are the key ingredient in the microscopic mechanism of the superfluid transition in two dimensions., Les propriétés physiques d'un système de particules homogène à l'équilibre thermodynamique sont caractérisées par son équation d'état : une relation entre différentes grandeurs thermodynamiques. Le gaz de Bose bi-dimensionnel est un système particulier de ce point de vue car son équation d'état est invariante par changement d'échelle en présence d'interactions atomiques répulsives faibles. Une autre caractéristique remarquable du gaz de Bose 2D est l'existence d'une transition de phase vers un état superfluide à basse température. Dans ce manuscrit de thèse, je présente une mesure de l'équation d'état du gaz de Bose homogène pour trois grandeurs thermodynamiques : la pression réduite, la densité dans l'espace des phases et l'entropie par particule. Je présente également une mesure de l'énergie d'interaction d'un gaz 2D piégé dans un potentiel harmonique. Cette mesure a permis de mettre en évidence l'existence d'une phase précédant la phase superfluide où les fluctuations de densité sont fortement réduites. Cette phase constitue une étape essentielle dans l'établissement de la transition superfluide. Enfin, je décris l'observation de signatures de vortex dans des gaz de Bose 2D. Ces vortex constituent l'ingrédient clé du mécanisme microscopique de la transition superfluide à deux dimensions.

Exciton polaritons are half-light half-matter quasi-particles which have been the subject of very exciting studies in recent years. They are given by the strong coupling between excitonic transitions in semiconductors and the electromagnetic field confined in a microcavity. In this Ph.D. thesis, two aspects of the corresponding physics have been theoretically studied : quantum optical device properties and quantum fluid behavior. Each part is compared with experimental results obtained by collaborating groups. First, we study the optical parametric oscillation regime in pillar microcavities, demonstrating the important role played by the dimensionality of the system. In a se- cond part, we investigate in detail the resonantly excited polariton superfluid regime. We have shown the hydrodynamic generation of vortices and dark solitons in such resonantly-driven superfluid. Finally, we present how the spin polariton properties can lead to a control of the effective potential landscape for the propagation of polaritons., Les polaritons excitoniques sont des quasi-particules qui ont révélé ces dernières années de très riches propriétés. Elles sont le fruit d'un couplage fort entre les transitions excitoniques présentes dans les semiconducteurs et un champ électromagnétique confiné au sein d'une microcavité. Dans cette thèse, nous avons réalisé l'étude théorique de deux aspects des polaritons. Ces résultats théoriques ont été corroboré par des résultats expérimentaux. Dans un premier temps, c'est un aspect proche de l'optique quantique qui est présenté et qui consiste en l'étude du régime d'oscillation paramétrique optique dans des microcavités de type pilier. Cette étude a permis, en plus de la démonstration de la présence de ce régime d'oscillation, de mettre en évidence l'importance de la dimensionnalité de la cavité. Dans un second temps, c'est l'aspect propriété quantique de la matière qui est présenté, et tout particulièrement l'aspect fluide quantique de polaritons. Ainsi, nous montrons que à l'aide d'excitations résonantes, un régime superfluide peut être atteint. Nous présentons une étude des régimes d'écoulements turbulents d'un tel fluide. Et enfin nous présentons une méthode qui, utilisant les propriétés de spin des polaritons, permet de moduler le potentiel effectif ressenti par les polaritons.

Exciton polaritons are half-light half-matter quasi-particles which have been the subject of very exciting studies in recent years. They are given by the strong coupling between excitonic transitions in semiconductors and the electromagnetic field confined in a microcavity. In this Ph.D. thesis, two aspects of the corresponding physics have been theoretically studied : quantum optical device properties and quantum fluid behavior. Each part is compared with experimental results obtained by collaborating groups. First, we study the optical parametric oscillation regime in pillar microcavities, demonstrating the important role played by the dimensionality of the system. In a se- cond part, we investigate in detail the resonantly excited polariton superfluid regime. We have shown the hydrodynamic generation of vortices and dark solitons in such resonantly-driven superfluid. Finally, we present how the spin polariton properties can lead to a control of the effective potential landscape for the propagation of polaritons.; Les polaritons excitoniques sont des quasi-particules qui ont révélé ces dernières années de très riches propriétés. Elles sont le fruit d'un couplage fort entre les transitions excitoniques présentes dans les semiconducteurs et un champ électromagnétique confiné au sein d'une microcavité. Dans cette thèse, nous avons réalisé l'étude théorique de deux aspects des polaritons. Ces résultats théoriques ont été corroboré par des résultats expérimentaux. Dans un premier temps, c'est un aspect proche de l'optique quantique qui est présenté et qui consiste en l'étude du régime d'oscillation paramétrique optique dans des microcavités de type pilier. Cette étude a permis, en plus de la démonstration de la présence de ce régime d'oscillation, de mettre en évidence l'importance de la dimensionnalité de la cavité. Dans un second temps, c'est l'aspect propriété quantique de la matière qui est présenté, et tout particulièrement l'aspect fluide quantique de polaritons. Ainsi, nous montrons que à l'aide d'excitations résonantes, un régime superfluide peut être atteint. Nous présentons une étude des régimes d'écoulements turbulents d'un tel fluide. Et enfin nous présentons une méthode qui, utilisant les propriétés de spin des polaritons, permet de moduler le potentiel effectif ressenti par les polaritons.

Among numerous physical mechanisms enabling liquids actuation, electrowetting on dielectric (EWOD) is increasingly considered as a trustful solution enabling discrete iquid sample handling by using electrical fields. Although energetic models can explain most basic fluidic functions, some electrowetting phenomena still remain to be considered as scientific issues. So is the case for droplet oscillations and hydrodynamic flows induced by electrowetting when AC voltage is applied (AC EWOD). The understanding and mastering of these phenomena represent the objectives of this thesis. An open electrode configuration has been used in which the droplet straddles two insulated coplanar electrodes. An experimental setup and dedicated software for the measurement of droplet wetting and droplet oscillations have been developed. A first experimental and numerical study allowed us the characterization of electrowetting in the coplanar electrode configuration. The calculation of the electrical stress distribution delivers criteria which help to conclude about the involvement of tangential electrical stresses in drop convective flow. Then, droplet oscillations and induced flows are experimentally and theoretically investigated. Depending on electrode designs, axisymetrical and quadripolar flows as well can be observed. A model based on steady streaming is implemented and structure flows are numerically reproduced using finite element method. Some practical applications of this research within the framework of lab-on-chips are proposed and discussed.; Parmi les différents mécanismes physiques permettant d'actionner des échantillons liquides au sein de labopuces, l'électromouillage sur diélectrique (EWOD) s'impose peu à peu comme une solution fiable permettant de manipuler en particulier des gouttes (labopuces digitaux). Bien que des modèles énergétiques permettent d'expliquer la plupart des fonctions fluidiques élémentaires obtenues par effet EWOD, il demeure certains phénomènes hydrodynamiques en goutte dont la compréhension à l'échelle locale présente des enjeux en termes scientifiques et applicatifs. En particulier, la maîtrise des oscillations de goutte et des écoulements électrohydrodynamiques induits par des signaux électriques alternatifs (AC-EWOD) pourrait permettre l'insertion de nouvelles fonctions dans les labopuces digitaux (brassage, séparation d'espèces). Dans la thèse proposée, une configuration optimale a été retenue consistant en une goutte reposant sur deux électrodes coplanaires passivées. Un banc de caractérisation a été développé ainsi que des logiciels spécifiques dédiés à l'analyse du mouillage et des oscillations de la goutte. Une première étude permet de caractériser l'électromouillage d'une goutte en configuration d'électrodes coplanaires. En particulier, la modélisation des contraintes électriques surfaciques permet de conclure sur leurs rôles dans l'injection normale et tangentielle de quantité de mouvement. Les oscillations de la goutte et les écoulements induits sont ensuite étudiés de manière expérimentale. Suivant la géométrie des électrodes, des configurations d'écoulements axisymétriques et quadripolaires sont observées. Un modèle basé sur le concept de courant de dérive est développé ; sa résolution numérique par éléments finis permet de retrouver les configurations d'écoulement. Des applications biologiques de l'actuation EWOD en signal alternatif sont finalement proposées et discutées pour le développement de laboratoires sur puces.

Among numerous physical mechanisms enabling liquids actuation, electrowetting on dielectric (EWOD) is increasingly considered as a trustful solution enabling discrete iquid sample handling by using electrical fields. Although energetic models can explain most basic fluidic functions, some electrowetting phenomena still remain to be considered as scientific issues. So is the case for droplet oscillations and hydrodynamic flows induced by electrowetting when AC voltage is applied (AC EWOD). The understanding and mastering of these phenomena represent the objectives of this thesis. An open electrode configuration has been used in which the droplet straddles two insulated coplanar electrodes. An experimental setup and dedicated software for the measurement of droplet wetting and droplet oscillations have been developed. A first experimental and numerical study allowed us the characterization of electrowetting in the coplanar electrode configuration. The calculation of the electrical stress distribution delivers criteria which help to conclude about the involvement of tangential electrical stresses in drop convective flow. Then, droplet oscillations and induced flows are experimentally and theoretically investigated. Depending on electrode designs, axisymetrical and quadripolar flows as well can be observed. A model based on steady streaming is implemented and structure flows are numerically reproduced using finite element method. Some practical applications of this research within the framework of lab-on-chips are proposed and discussed., Parmi les différents mécanismes physiques permettant d'actionner des échantillons liquides au sein de labopuces, l'électromouillage sur diélectrique (EWOD) s'impose peu à peu comme une solution fiable permettant de manipuler en particulier des gouttes (labopuces digitaux). Bien que des modèles énergétiques permettent d'expliquer la plupart des fonctions fluidiques élémentaires obtenues par effet EWOD, il demeure certains phénomènes hydrodynamiques en goutte dont la compréhension à l'échelle locale présente des enjeux en termes scientifiques et applicatifs. En particulier, la maîtrise des oscillations de goutte et des écoulements électrohydrodynamiques induits par des signaux électriques alternatifs (AC-EWOD) pourrait permettre l'insertion de nouvelles fonctions dans les labopuces digitaux (brassage, séparation d'espèces). Dans la thèse proposée, une configuration optimale a été retenue consistant en une goutte reposant sur deux électrodes coplanaires passivées. Un banc de caractérisation a été développé ainsi que des logiciels spécifiques dédiés à l'analyse du mouillage et des oscillations de la goutte. Une première étude permet de caractériser l'électromouillage d'une goutte en configuration d'électrodes coplanaires. En particulier, la modélisation des contraintes électriques surfaciques permet de conclure sur leurs rôles dans l'injection normale et tangentielle de quantité de mouvement. Les oscillations de la goutte et les écoulements induits sont ensuite étudiés de manière expérimentale. Suivant la géométrie des électrodes, des configurations d'écoulements axisymétriques et quadripolaires sont observées. Un modèle basé sur le concept de courant de dérive est développé ; sa résolution numérique par éléments finis permet de retrouver les configurations d'écoulement. Des applications biologiques de l'actuation EWOD en signal alternatif sont finalement proposées et discutées pour le développement de laboratoires sur puces.

The Landau's sentence " Nobody can cancel the Coulomb's law " is often overlooked in understanding of ferroelectric materials that, paradoxically, should be destabilized by the backward depolarizing electrostatic field produced by the charge of the polarization surface breakdown. As proposed by Landau (1935) and Kittel (1946) this puzzle can be resolved for ferromagnetics with similar magnetostatic problem by sample segregation onto differently oriented magnetization domains. It was thought however that domain formation mechanism was irrelevant for ferroelectrics where the depolarizing field can also be screened by free semiconducting charges. Only in 2000's it was recognized and experimentally confirmed that the regular domain patterns do appear in nanoscopic samples of thickness less than 500nm. The objective of the Thesis is to propose the analytical method for modeling of non-uniform polarization texture in nano-scale samples caused by depolarizing field. Basing on the generalized Kittel low-temperature approach and on the Ginzburg-Landau formalism valid close to transition temperature we study the principal parameters of the domain structure in uniaxial ferroelectric films and their dependence on temperature, applied field and film thickness.We investigate next the distribution of polarization in cubic multicomponent ferroelectrics having the quasi-Goldstone (rotational) polarization degree of freedom. We show that the requirement of minimization of the depolarizing energy leads to formation of unconventional topological vortices or chiral skyrmions. Their formation during the switching process can resolve the long-standing Landauer paradox of small coercive field in ferroelectrics.; La phrase favorite de Landau, " Personne ne peut annuler la loi de Coulomb ", est souvent négligée dans la compréhension des ferroélectriques car, paradoxalement, ils devraient être déstabilisés par le champ électrostatique dépolarisant induit par la discontinuité de la polarisation en surface. Comme l'ont propos¶e Landau (1935) et Kittel (1946), cette énigme peut être résolue dans les ferromagnétiques par la division de l'échantillon en domaines d'aimantation orientés différemment. On pensait traditionnellement que la formation des domaines n'était pas pertinente dans les ferroélectriques où le champ dépolarisant peut aussi être écranté par les charges libres semiconductrices. C'est seulement dans lesannées 2000 qu'il a été expérimentalement confirmé que les textures de domaines apparaissaient dans les échantillons d'épaisseur inférieure à 500nm.Le but de la Thèse est de proposer une méthode d'analyse pour modéliser la texture de polarisation à l'échelle nanoscopique. En nous basant sur l'approche de Kittel à basse température et sur le formalisme de Ginzburg-Landau valable près de la température de transition, nous étudions les paramètres de la texture en domaines des films ferroélectriques uniaxiaux et leur dépendance en température, champ appliqué et épaisseur.Nous étudions ensuite la distribution de la polarisation dans les ferroélectriques multicomposantes cubiques où le degré de liberté est de type quasi-Goldstone. Nous montrons que la condition d'énergie de dépolarisation minimale conduit à la formation d'un défaut topologique particulier, le skyrmion chiral. Sa formation au cours du processus de renversement peut résoudre le paradoxe de Landauer concernant le faible champ coercitif des ferroélectriques.

The Landau's sentence " Nobody can cancel the Coulomb's law " is often overlooked in understanding of ferroelectric materials that, paradoxically, should be destabilized by the backward depolarizing electrostatic field produced by the charge of the polarization surface breakdown. As proposed by Landau (1935) and Kittel (1946) this puzzle can be resolved for ferromagnetics with similar magnetostatic problem by sample segregation onto differently oriented magnetization domains. It was thought however that domain formation mechanism was irrelevant for ferroelectrics where the depolarizing field can also be screened by free semiconducting charges. Only in 2000's it was recognized and experimentally confirmed that the regular domain patterns do appear in nanoscopic samples of thickness less than 500nm. The objective of the Thesis is to propose the analytical method for modeling of non-uniform polarization texture in nano-scale samples caused by depolarizing field. Basing on the generalized Kittel low-temperature approach and on the Ginzburg-Landau formalism valid close to transition temperature we study the principal parameters of the domain structure in uniaxial ferroelectric films and their dependence on temperature, applied field and film thickness.We investigate next the distribution of polarization in cubic multicomponent ferroelectrics having the quasi-Goldstone (rotational) polarization degree of freedom. We show that the requirement of minimization of the depolarizing energy leads to formation of unconventional topological vortices or chiral skyrmions. Their formation during the switching process can resolve the long-standing Landauer paradox of small coercive field in ferroelectrics.; La phrase favorite de Landau, " Personne ne peut annuler la loi de Coulomb ", est souvent négligée dans la compréhension des ferroélectriques car, paradoxalement, ils devraient être déstabilisés par le champ électrostatique dépolarisant induit par la discontinuité de la polarisation en surface. Comme l'ont propos¶e Landau (1935) et Kittel (1946), cette énigme peut être résolue dans les ferromagnétiques par la division de l'échantillon en domaines d'aimantation orientés différemment. On pensait traditionnellement que la formation des domaines n'était pas pertinente dans les ferroélectriques où le champ dépolarisant peut aussi être écranté par les charges libres semiconductrices. C'est seulement dans lesannées 2000 qu'il a été expérimentalement confirmé que les textures de domaines apparaissaient dans les échantillons d'épaisseur inférieure à 500nm.Le but de la Thèse est de proposer une méthode d'analyse pour modéliser la texture de polarisation à l'échelle nanoscopique. En nous basant sur l'approche de Kittel à basse température et sur le formalisme de Ginzburg-Landau valable près de la température de transition, nous étudions les paramètres de la texture en domaines des films ferroélectriques uniaxiaux et leur dépendance en température, champ appliqué et épaisseur.Nous étudions ensuite la distribution de la polarisation dans les ferroélectriques multicomposantes cubiques où le degré de liberté est de type quasi-Goldstone. Nous montrons que la condition d'énergie de dépolarisation minimale conduit à la formation d'un défaut topologique particulier, le skyrmion chiral. Sa formation au cours du processus de renversement peut résoudre le paradoxe de Landauer concernant le faible champ coercitif des ferroélectriques.

The main objective of the present study is to experimentally investigate interactions between a longitudinal vortex and turbulent boundary layer that develops on NACA0015 foil. The vortex is generated upstream by a NACA0020 and the study is realized for low and high incidence angles. Experiments were carried out in hydrodynamic tunnel of French naval academy at high Reynolds number, the vortex is generated upstream by an elliptical wing of NACA0020 section. Measurement campaigns were conducted by LDV and PIV regarding the velocity field and gauge balance in regard to global efforts. This configuration can be found in applications of flow control (by use of vortex generators) or naval hydrodynamics interactions “hub vortex- rudder”. The originality of the studied configuration is the fact that the vortex is generated outside the boundary layer, unlike the typical configuration of flow control in aerodynamics, where the vortex is generated at a distance of about the thickness of boundary layer. The results showed that the presence of the vortex suppresses the hysteresis phenomenon in the static stall of NACA0015 profile, this being associated with a marked change in states of boundary layer both in average value fluctuates. Indeed, for low impact, the presence of the vortex changes the longitudinal pressure gradient, so delaying the overall boundary layer separation while accelerating the fluid to the wall. For higher incidences, there is a re-attachment of the boundary layer in the inflow region (area of rapid fluid delivery to the wall). Dynamics of this flow is analyzed by proper orthogonal decomposition (POD) in order to better understand the spatial alignment vortex in the wake of bodies made great impact and controlled.; L'objectif de cette étude est d'analyser expérimentalement l'interaction entre un tourbillon longitudinal isolé et une couche limite se développant sur un profil portant bi-dimensionnel de type NACA0015 pour des incidences faibles et autour du décrochage statique. Le travail a été réalisé en tunnel hydrodynamique à Reynolds 5 105, le tourbillon est généré en amont par une aile elliptique de section NACA0020. Les campagnes de mesures ont été réalisées par LDV et PIV en ce qui concerne le champ de vitesse et par balance hydrodynamique en ce qui concerne les efforts globaux. Ce type de configuration peut être retrouvé dans les applications de contrôle d'écoulement (par utilisation de générateurs de vortex) ou en hydrodynamique navale dans les interactions « tourbillon d'ogivesafran de gouvernail ». L'originalité de la configuration étudiée réside dans le fait que le vortex est généré hors couche limite, contrairement à la configuration classique du contrôle d'écoulement en aérodynamique, où le vortex est généré à une distance de l'ordre de l'épaisseur de couche limite. Les résultats ont montré que la présence du tourbillon inhibe le phénomène d'hystérésis lors du décrochage statique du profil NACA0015, ceci étant associé à une modification notable des états de couche limite tant en valeur moyenne que fluctuante. En effet, pour les faibles incidences, la présence du tourbillon longitudinal modifie le gradient de pression, retarde de manière globale le décollement de la couche limite en réaccélérant le fluide à la paroi. Pour les incidences plus élevées, on observe un ré-attachement de la couche limite dans la région d'inflow (zone d'apport de fluide rapide à la paroi). La dynamique de cet écoulement est analysée par décomposition orthogonale en modes propres (POD) dans le but de mieux appréhender l'alignement spatial tourbillonnaire dans le sillage des corps mis à grande incidence et contrôlé.

The main objective of the present study is to experimentally investigate interactions between a longitudinal vortex and turbulent boundary layer that develops on NACA0015 foil. The vortex is generated upstream by a NACA0020 and the study is realized for low and high incidence angles. Experiments were carried out in hydrodynamic tunnel of French naval academy at high Reynolds number, the vortex is generated upstream by an elliptical wing of NACA0020 section. Measurement campaigns were conducted by LDV and PIV regarding the velocity field and gauge balance in regard to global efforts. This configuration can be found in applications of flow control (by use of vortex generators) or naval hydrodynamics interactions “hub vortex- rudder”. The originality of the studied configuration is the fact that the vortex is generated outside the boundary layer, unlike the typical configuration of flow control in aerodynamics, where the vortex is generated at a distance of about the thickness of boundary layer. The results showed that the presence of the vortex suppresses the hysteresis phenomenon in the static stall of NACA0015 profile, this being associated with a marked change in states of boundary layer both in average value fluctuates. Indeed, for low impact, the presence of the vortex changes the longitudinal pressure gradient, so delaying the overall boundary layer separation while accelerating the fluid to the wall. For higher incidences, there is a re-attachment of the boundary layer in the inflow region (area of rapid fluid delivery to the wall). Dynamics of this flow is analyzed by proper orthogonal decomposition (POD) in order to better understand the spatial alignment vortex in the wake of bodies made great impact and controlled.; L'objectif de cette étude est d'analyser expérimentalement l'interaction entre un tourbillon longitudinal isolé et une couche limite se développant sur un profil portant bi-dimensionnel de type NACA0015 pour des incidences faibles et autour du décrochage statique. Le travail a été réalisé en tunnel hydrodynamique à Reynolds 5 105, le tourbillon est généré en amont par une aile elliptique de section NACA0020. Les campagnes de mesures ont été réalisées par LDV et PIV en ce qui concerne le champ de vitesse et par balance hydrodynamique en ce qui concerne les efforts globaux. Ce type de configuration peut être retrouvé dans les applications de contrôle d'écoulement (par utilisation de générateurs de vortex) ou en hydrodynamique navale dans les interactions « tourbillon d'ogivesafran de gouvernail ». L'originalité de la configuration étudiée réside dans le fait que le vortex est généré hors couche limite, contrairement à la configuration classique du contrôle d'écoulement en aérodynamique, où le vortex est généré à une distance de l'ordre de l'épaisseur de couche limite. Les résultats ont montré que la présence du tourbillon inhibe le phénomène d'hystérésis lors du décrochage statique du profil NACA0015, ceci étant associé à une modification notable des états de couche limite tant en valeur moyenne que fluctuante. En effet, pour les faibles incidences, la présence du tourbillon longitudinal modifie le gradient de pression, retarde de manière globale le décollement de la couche limite en réaccélérant le fluide à la paroi. Pour les incidences plus élevées, on observe un ré-attachement de la couche limite dans la région d'inflow (zone d'apport de fluide rapide à la paroi). La dynamique de cet écoulement est analysée par décomposition orthogonale en modes propres (POD) dans le but de mieux appréhender l'alignement spatial tourbillonnaire dans le sillage des corps mis à grande incidence et contrôlé.

The first part of this thesis is devoted to classical magnetic systems. A method for an exhaustive search of states that do not break any spatial symmetry on a given lattice is presented. New Néel states on the kagome lattice are described. Their static structure factors give a way to analyze experimental results. Some non-coplanar spin orders are the only ground states of Heisenberg Hamiltonians. The chirality is a discrete order parameter and give rise to a finite temperature phase transition, studied on a toy model. We show that Z2 topological defects proliferate near chirality domain walls. The order of the transition (first order or Ising like) depends on the spin interactions. The Schwinger boson mean-field theory (SBMFT) allows us to link classical and quantum spin physics: long-range ordered and disordered phases as topological spin liquids can be described in this frame. Symmetry and the way to impose them are analyzed. Different phases are distinguished by their fluxes. These are gauge invariant quantities having a signification as well in a quantum system as in the classical limit. Visons are quantum excitations that change fluxes. Thus, the Z2 vorticies are their classical limit. By relaxing some symmetry constraints, chiral phases are obtained, whose classical limit sends back to the first chapter of this thesis, and whose disordered phase gives chiral spin liquids. The example of the Dzyaloshinskii-Moriya interaction on the kagome lattice is studied., La première partie de cette thèse est consacrée aux systèmes magnétiques classiques. Une méthode de recherche exhaustive des états ne brisant aucune symétrie spatiale de divers réseaux est présentée. De nouveaux ordres de Néel sur le réseau kagome sont décrits. Leurs facteurs de structure statiques fournissent une grille d'analyse pour les résultats expérimentaux. Certains ordres ayant des spins non coplanaires sont les uniques états fondamentaux de Hamiltoniens d'Heisenberg. La chiralité, paramètre d'ordre discret, donne lieu à une transition de phase à température finie, étudiée sur un modèle générique. Nous montrons que des défauts topologiques Z2 prolifèrent aux murs de domaines chiraux. L'ordre de la transition (premier ordre ou classe d'universalité d'Ising) dépend des interactions entre spins. La théorie des bosons de Schwinger en champ moyen (SBMFT) permet de faire le lien entre physique de spins classiques et quantiques : elle permet de décrire à la fois des phases ordonnées à longue portée et des phases désordonnées, parmi lesquelles les liquides de spins topologiques. Les symétries et les moyens de les imposer en SBMFT sont analysés. Différentes phases se distinguent grâce aux flux, quantités invariantes de jauge ayant une signification physique aussi bien dans un système quantique que dans la limite classique. Les visons, excitations quantiques modifiant les flux, ont ainsi leur limite classique avec les vortex Z2. En relâchant certaines contraintes de symétrie, on obtient des phases chirales, dont la limite classique renvoie au premier chapitre de cette thèse, et dont la phase désordonnée fournit des liquides de spin chiraux. L'exemple de l'interaction Dzyaloshinskii-Moriya sur le réseau kagome est étudié.