Dissertations / Theses on the topic 'Métrologie des faibles forces'

Cette thèse est une contribution à la métrologie des faibles forces qui s'inscrit dans la continuité des activités de recherche menées au département AS2M de l'institut FEMTO-ST. Ce manuscrit présente la conception et la mise en œuvre expérimentale d'un accéléromètre pendulaire triaxial qui mesure les composantes non filtrées du régime sismique, puisque ces dernières sont susceptibles de perturber le fonctionnement d'une balance de micro-nanoforce électromagnétique actuellement en développement. Une méthodologie alternative de calcul est également proposée dans ce manuscrit afin d'estimer spécifiquement la valeur et l'incertitude associée à une ou plusieurs grandeurs d'intérêt inconnues, par l'intermédiaire d'un système dynamique SISO dont le comportement est incertain et perturbé. Cette approche repose sur la représentation exacte de ce système grâce à une entrée correctrice virtuelle qui contient les grandeurs d'intérêt. Cette entrée est estimée puis mise en forme afin de déterminer l'incertitude associée à ces grandeurs d'intérêt, en utilisant les outils de l'analyse par intervalles. La méthodologie proposée est validée à partir de simulations de l'accéléromètre en modes actif et passif, puis illustrée sur le dispositif expérimental. Une étude en simulation du fonctionnement couplé de la future balance de micro-nanoforce électromagnétique avec l'accéléromètre triaxial est également réalisée. L'approche proposée est mise en œuvre lors d'un essai simulé visant à caractériser la raideur mécanique d'un levier élastique
This PhD thesis is a contribution to small force metrology, in line with the research activities carried out in the AS2M department of the FEMTO-ST institute. This manuscript presents the design and experimental implementation of a triaxial pendulous accelerometer, which measures the unfiltered seismic activity, since the latter is likely to interfere with the operation of an electromagnetic micro-nanoforce balance currently under development. An alternative methodology is also proposed in this manuscript to specifically estimate the value and uncertainty associated with one or more unknown quantities of interest, using a dynamical SISO system whose behavior is uncertain and disturbed. This approach is based on the exact representation of this system by means of a virtual corrective input containing the quantities of interest. This input is estimated and then shaped to determine the uncertainty associated with these quantities of interest, using the tools of interval analysis. The proposed methodology is validated on the basis of simulated accelerometer responses in active and passive modes, then illustrated on the experimental setup. A simulation study of the coupled operation of the future electromagnetic micro-nanoforce balance with the triaxial accelerometer is also carried out. The proposed approach is implemented in a simulated test aiming at characterizing the mechanical stiffness of an elastic cantilever

Le premier objectif de ces recherches vise à étendre les capacités de calcul pour la modélisation des champs électromagnétiques basses fréquences. Cette activité repose sur le développement de méthodes numériques dédiées (méthode éléments finis, méthodes intégro-différentielles,...), implémentées dans un soucis de performance (compressions matricielles, calcul parallèle,..) et hybridées (couplages, modélisations multi niveaux,..). Le deuxième axe présenté s'intéresse à l'identification de sources électromagnétiques équivalentes par mesure du champ proche. Il combine très étroitement et indissociablement développement de formulations électromagnétiques inverses et création de systèmes de métrologie magnétique en champs faibles innovants. Un domaine applicatif important est le diagnostic

Les fluctuations quantiques de point zéro du champ électromagnétique (EM) produisent un effet mécanique remarquable entre deux objets macroscopiques, quelles que soient la forme et la nature de leurs matériaux : la force de Casimir, du nom du physicien hollandais qui en 1948 prédit l'existence d'une force attractive dans la configuration idéale de deux miroirs plans parfaits, neutres et parallèles. Depuis sa mise en évidence théorique, cet effet attire l'intérêt de communautés scientifiques d'horizons tous azimuts, des cosmologistes aux concepteurs de micro/nanosystèmes mécaniques en passant par les physiciens de la théorie quantique des champs et de la gravitation. Cette force qui se situe au coeur de nombreux problèmes actuels de physique théoriques, à l'interface de la physique de la gravitation et de la théorie quantique des champs (divergence de l'énergie du vide), joue en effet un rôle majeur dans le fonctionnement de nanosystèmes mécaniques en cours de développement, qui sont appelés dans les années futures à révolutionner toute l'industrie de la microélectronique. Les effets des conditions aux limites imposées au champ EM soulèvent en particulier de nombreuses interrogations sur le comportement de ce phénomène quantique. Son contrôle, par ce biais, constitue ainsi l'une des principales motivations du travail expérimental développé durant cette thèse : la conception d'un appareil de mesure de forces faibles entre deux surfaces de tailles micrométriques présentant une structuration à l'échelle du nanomètre en vue de l'étude de la force de Casimir. La sonde de force, développée au cours de la thèse de Gauthier Torricelli qui a lancé cette activité dans l'équipe Piconewton, est constituée d'une micropoutre au bout de laquelle est collée une sphère de quelques dizaines de micromètres de rayon et recouverte d'or. Cette thèse propose tout d'abord une caractérisation expérimentale et théorique de son comportement mécanique en présence de son environnement et des appareils de mesure qui l'entourent. La mise au point d'une procédure de calibration de force constitue ensuite une étape incontournable pour obtenir des mesures de forces absolues et ainsi réaliser des comparaisons théorie/expérience significatives
Quantum electromagnetic field fluctuations of the vacuum generate an outstanding mechanical effect between two macroscopic objects, whatever their shapes and materials: the Casimir force. This force has been predicted in 1948 by a dutch physicist who gave it his name. Computation was first carried out with two parallel perfect flat mirrors, separated by gap d. Since its theoretical prediction, this phenomenon has been the focus of numerous scientific communities, from cosmologists, quantum electromagnetic field or gravitational field theorists to micro/nano mechanical systems designers. On one hand this force raises numerous issues at the interface of gravitation physic and quantum electromagnetic field theory since vacuum energy do not fulfill properly commitments of both theories. On the other hand it plays major role in the operation of submicrometric mechanical devices that are currently under investigation and that are expected to revolutionize the whole microelectronic industry. Current theoretical studies aim at understanding impact of boundary conditions on the behaviour of this quantum phenomenon. Experimental project here developed is motivated by the prospect of monitoring force intensity when altering field matter coupling. To this purpose, the project consisted in designing a specific set up capable of measuring weak force between nanostructured surfaces in order to complement boundary conditions effects studies. Gauthier Toricelli implemented specific force probe during his thesis: it consists of an AFM microlever with a gold coated sphere glued at its end. Theoretical and experimental studies have first been carried out to determine properly its mechanical behaviour when coupling to environment including detection devices. Calibration method is a key point of the present work. Calibration accuracy have to be close to percent range to ensure a reliable theory to experiment comparison. Some Casimir force measurements are displayed at the end of the manuscript: they are in compliance with theoretical model within experimental uncertainties. This work finally demonstrates our ability to studying Casimir force between nanostructured surfaces

Les fluctuations quantiques de point zéro du champ électromagnétique (EM) produisent un effet mécanique remarquable entre deux objets macroscopiques, quelles que soient la forme et la nature de leurs matériaux : la force de Casimir, du nom du physicien hollandais qui en 1948 prédit l'existence d'une force attractive dans la configuration idéale de deux miroirs plans parfaits, neutres et parallèles.
Depuis sa mise en évidence théorique, cet effet attire l'intérêt de communautés scientifiques d'horizons tous azimuts, des cosmologistes aux concepteurs de micro/nanosystèmes mécaniques en passant par les physiciens de la théorie quantique des champs et de la gravitation. Cette force qui se situe au coeur de nombreux problèmes actuels de physique théoriques, à l'interface de la physique de la gravitation et de la théorie quantique des champs (divergence de l'énergie du vide), joue en effet un rôle majeur dans le fonctionnement de nanosystèmes mécaniques en cours de développement, qui sont appelés dans les années futures à révolutionner toute l'industrie de la microélectronique. Les effets des conditions aux limites imposées au champ EM soulèvent en particulier de nombreuses interrogations sur le comportement de ce phénomène quantique. Son contrôle, par ce biais, constitue ainsi l'une des principales motivations du travail expérimental développé durant cette thèse : la conception d'un appareil de mesure de forces faibles entre deux surfaces de tailles micrométriques présentant une structuration à l'échelle du nanomètre en vue de l'étude de la force de Casimir. La sonde de force, développée au cours de la thèse de Gauthier Torricelli qui a lancé cette activité dans l'équipe Piconewton, est constituée d'une micropoutre au bout de laquelle est collée une sphère de quelques dizaines de micromètres de rayon et recouverte d'or.
Cette thèse propose tout d'abord une caractérisation expérimentale et théorique de son comportement mécanique en présence de son environnement et des appareils de mesure qui l'entourent. La mise au point d'une procédure de calibration de force constitue ensuite une étape incontournable pour obtenir des mesures de forces absolues et ainsi réaliser des comparaisons théorie/expérience significatives.

Les descriptions des interactions faibles et notamment de la dispersion représentent un problème majeur pour la théorie de la fonctionnelle de la densité. En effet, le caractère fortement local des fonctionnelles rend problématique la description des interactions à longue-portée. Aussi, plusieurs stratégies sont envisagées: des corrections des fonctionnelles existantes ou une introduction de méthodes post-Hartree-Fock par séparation de portée. Des résultats dans les deux cas sont exposés. Tout d'abord, la méthodologie hybride est appliquée à des dimères de métaux de transition (Cr2, Mn2 et Zn2). Ensuite, le calcul de coefficients de corrections pour la dispersion dans un cadre relativiste est présenté. Enfin, les interactions faibles peuvent également résulter de l'interaction d'une molécule avec un champ magnétique. Dans ce cadre, une modélisation de la modification de la densité électronique dans les systèmes aromatiques sous l'influence d'un champ magnétique extérieur est présentée.

L'objectif principal consiste en une étude théorique et expérimentale sur l'effet de la force d'histoire exercée sur une inclusion fluide ou solide en mouvement accéléré dans un milieu visqueux. Cette force dite aussi force de mémoire est souvent négligée dans le bilan de quantité de mouvement. Elle dépend essentiellement de la diffusion de vorticité à l'intérieur et à l'extérieur de l'inclusion ainsi que de la géométrie de celle-ci. Elle s'exprime généralement sous une forme intégrale retenant toute l'histoire de l'accélération de la particule, et donne une forme intégro-différentielle à l'équation du mouvement. Dans un premier temps, nous avons considéré des inclusions sphériques et nous avons pu déterminer les expressions analytiques de cette force pour chaque type d'inclusion : liquide, gazeuse ou solide. Ceci a été effectué par la détermination des champs hydrodynamiques à l'aide d'une méthode générale basée sur la formulation de la fonction de courant en séries de fonctions de Gegenbauer. A l'aide d'une installation expérimentale originale, nous avons pu valider les résultats théoriques et mesurer avec précision les effets de mémoire significatifs sur les trajectoires des particules sphériques oscillantes pour des nombres de Reynolds faibles et intermédiaires. Dans un second temps, nous avons utilisé les techniques des perturbations régulières pour étendre la formulation théorique suivie dans le cas des particules sphériques, et déterminer ainsi l'expression de la traînée instationnaire exercée sur une inclusion fluide ellipsoïdale oscillante. Le résultat obtenu a permis de mettre en évidence un nouveau terme d'histoire dû principalement à la géométrie de la particule et à son écart à la sphéricité.

Ce travail s'inscrit dans le cadre du thème de recherche en écoulements diphasiques à phases dispersées liquide-liquide, gaz-liquide ou bien solide-liquide. L'objectif principal consiste en une étude théorique et expérimentale sur l'effet de la force d'histoire exercée sur une inclusion fluide ou solide en mouvement accéléré dans un milieux visqueux. Cette force de mémoire, souvent négligée dans le bilan de quantité de mouvement, dépend essentiellement de la diffusion de vorticité dans la phase continue. Elle s'exprime généralement sous forme intégrale retenant toute l'histoire de l'accélération de la particule. En nous intéressant dans un premier temps aux inclusions sphériques, nous avons pu déterminer les expressions théoriques de ces forces de mémoire exercées sur chaque type d'inclusion: liquide, gazeuse ou solide. Et à l'aide d'une installation expérimentale originale, nous avons pu examiner avec précision l'effet de ces forces sur les trajectoires des inclusions sphériques oscillantes pour des nombres de Reynolds faibles et intermédiaires. Dans un second temps, et par l'utilisation d'un schéma de perturbation régulier, nous avons étendu la formulation théorique suivie dans le cas des particules sphériques pour déterminer l'expression de la traînée instationnaire exercée sur une inclusion fluide ellipsoi͏̈dale oscillante. Le résultat obtenu nous a permis de mettre en évidence un nouveau terme d'histoire, exercé sur l'ellipsoi͏̈de fluide, dû principalement à l'écart à la sphéricité et qui est resté jusque là inconnu.

Dans l'optique d'une modification du Système international d'unités (SI) fondée sur la valeur de constantes fondamentales de la physique, le Laboratoire national de métrologie et d'essais (LNE) a développé une expérience de balance du watt de manière à participer à la redéfinition de l'unité de masse : le kilogramme. Cette unité est en effet la dernière des unités de base du SI qui repose encore sur un artefact matériel : le prototype international du kilogramme.Une bobine circulaire, plongée dans un flux magnétique radial et horizontal est le coeur du dispositif de la balance du watt. Parcourue par un courant (phase statique), il s'exerce sur elle une force de Laplace nominalement verticale qui est comparée au poids d'une masse étalon. Déplacée de manière nominalement verticale (phase dynamique), il apparaît à ses bornes une tension.Il résulte de la combinaison de ces deux étapes l'égalité d'une puissance électrique et d'une puissance mécanique virtuelles. La détermination des grandeurs électriques par comparaison à l'effet Josephson et à l'effet Hall quantique permet d'établir une relation entre une masse macroscopique et la constante de Planck.Après une dizaine d'années de développements séparés des différents éléments, de très nombreuses caractérisations et améliorations, les premiers travaux de cette thèse ont consisté en l'assemblage des sous-ensembles de la balance du watt.Nous nous sommes ensuite intéressés à l'évaluation des composantes principales d'incertitudes et notamment à celles liées aux problématiques d'alignement : en particulier l'alignement sur la verticale des faisceaux lasers des interféromètres mesurant la vitesse de la bobine, l'alignement sur l'horizontale des pivots du comparateur de forces, et enfin l'évaluation des forces de Laplace horizontales et des moments parasites s'exerçant sur la bobine et leurs influences sur la détermination de la constante de Planck.Une valeur de la constante de Planck a été déterminée à l'été 2014, qui conduit à h=6,6260688(20)E-34 Js, évaluation dont l'incertitude-type relative est 3.1E-7. Des propositions pour améliorer cette incertitude sont avancées
In the pespective of a modification of the Système international of units (SI) based on value of fondamental constants of physics, the Laboratoire national de métrologie et d'essais (LNE) has developped a watt balance experiment, in order to contribute to the redefinition of the unit of mass: the kilogramm. Indeed, this unit is the last one of the base units of the SI which is based on a material artefact: the international prototype of kilogram.A circular coil, immersed in a horizontal and radial magnetic flux is the centre of the watt balance device. Flown by a current (static phase), it exerts on it a nominaly vertical Laplace force which is compared to the weight of a standard mass. Moved nominally vertically (dynamic phase), it appears at its terminals a voltage.It results from the combination of these two steps an equality of virtual electric and mechanical powers. The determination of electrical quantities compared to the Josephson effect and to the quantum Hall effect establishes a relationship between macroscopic mass and the Planck constant.After separate developments of the different elements with continuous characterizations and improvements, the entire system has been assembled, the first works of this thesis consisted in assembling subsets of the watt balance.Then, we have evaluated the main components of uncertainties, especially those related to the alignment issues: alignment relative to the vertical of the laser beam interferometers which measure the velocity of the coil, alignment with horizontal of the pivots from the beam of the forces comparator and finally the evaluation of horizontal Laplace forces and parasitic moments acting on the coil and their influences on determining Planck's constant.A determination of the Planck constant was then carried out in the summer of 2014, which leads to the value h=6.6260688(20)E-34 Js. The relative standard uncertainty associated is 3.1E-7. Proposals to improve this uncertainty are advanced

Ce mémoire présente la réalisation d'un dispositif expérimental de deuxième génération pour le projet FORCA-G (FORce de CAsimir et Gravitation à courte distance). L'objectif de ce projet est la mesure des interactions à faible distance entre un atome et une surface massive. La mesure de force est réalisée à l'aide d'interféromètres atomiques utilisant des atomes confinés dans un réseau optique 1D vertical basé sur le déplacement des atomes de puits en puits. La dégénérescence des niveaux d'énergies des atomes dans les puits du réseau est levée par la force que l'on cherche à mesurer. Des transitions Raman permettent de séparer les atomes dans des puits adjacents, puis de les recombiner, créant ainsi un interféromètre atomique qui permet de mesurer la différence d'énergie entre puits, liée à la fréquence de Bloch nu B du réseau. Ce travail présente la mise en place d'un dispositif proprement dédié au projet, qui permettra à terme de mesurer les forces à faible distance. Il rend compte des améliorations obtenues en configuration de gravimètre sur la sensibilité court terme de la mesure qui atteint 5. 10^-6 à 1 s. Il regroupe l'étude des limitations de la sensibilité, de l'exactitude et l'étude de la perte de contraste des interféromètres. Il présente aussi la mise en place d'une étape supplémentaire : l'implémentation d'un piège dipolaire visant obtenir un échantillon d'atomes plus dense et plus froid
The thesis presents the set up of the second version of the experiment FORCA-G (CAsimir FORce and Gravitation at short range). The purpose of this experiment is the measurement of short-range interactions between an atom and a massive surface. The measurement is realised thanks to atom interferometers using atoms trapped in a 1D vertical optical lattice. The energy levels of atoms in such a trap are shifted from lattice site to another by the force we aim at measuring. We move the atoms from site to site using counter-propagating Raman transitions. The atoms are moved from Δm lattice sites only if the Raman frequency matches υHFS +∆m.υB where υHFS is the frequency of the hyperfine ground state transition and υB is the Bloch frequency and represents the difference of potential energy between two wells in the case where the atoms are far from the surface. This thesis presents the implementation of a setup properly dedicated to FORCA-G in which the measurement of short-range forces will be possible. It reaches an improved short-term relative sensitivity on the measurement of the Bloch frequency of at 3.9 10-6 at 1s. It contains the studies of the limits in the sensitivity, the accuracy and the contrast losses. It also presents the implementation of a dipolar trap to further cool the atoms and increase their density (crossed dipolar trap with a 1064 broadband laser)

Dans l'optique d'une modification du système international d'unités (SI), le LNE développe l'expérience du triangle métrologique (ETM). Cette expérience consiste à appliquer la loi d'Ohm à l'aide des effets Hall quantique pour la résistance, Josephson pour la tension et tunnel à un électron (SET) pour le courant. L'objectif est d'augmenter notre connaissance de la cohérence des constantes impliquées dans ces phénomènes.
Dans ce cadre, nous nous somme intéressés dans cette thèse à la possibilité d'utiliser les pompes à électrons de type R à 3 jonctions de façon métrologique autour de 10 pA. Notre montage expérimental est conçu afin de mesurer le courant quantifié généré par le dispositif en utilisant un comparateur cryogénique de courants (CCC).
Les principaux résultats ont été obtenus avec une pompe fabriquée par la PTB couplée à un CCC connecté en contre-réaction interne, i.e. utilisé comme un amplificateur de courant et ne donnant qu'une valeur relative du courant. Ces expériences ont permis de montrer l'existence de marches de courant jusqu'à environ 16 pA et une stabilité du courant généré par le dispositif sur des temps longs, indépendamment de la fréquence de pompage jusqu'à 100 MHz. Le niveau de bruit blanc est de 10-15 fA/Hz^(1/2) et, après 7 heures de mesure à une fréquence de 100 MHz, une incertitude relative de type A de 4.10^(-6) a été atteinte.
La dernière partie de ce travail présente la première réalisation directe de l'ETM. Dans ce cas, le courant généré par la pompe traverse une résistance étalonnée et la tension aux bornes de celle-ci est comparée à la tension délivrée par un réseau Josephson. Les premiers résultats qui sont présentés semblent prometteurs.

Lorsque la proprioceptivité de la vessie a disparu suite à des perturbations d'origine neurologique, il est nécessaire d'avoir un moyen de contrôle du remplissage de la vessie afin d'éviter des complications diverses. Parmi toutes les recherches qui ont été menées sur le sujet, il apparait que le meilleur moyen pour effectuer ce contrôle de façon répétée et assez précise reste l'échographie B, mais ceci recourt à des appareils chers et peu transportables. Notre travail a donc consisté à réaliser un échosondeur miniature dont les performances ont été testées sur un sujet volontaire sain au moyen d'un système d'acquisition rapide développé sur macintosh. Les résultats des expériences incitent à caractériser le volume urinaire par la description automatique de la coupe longitudinale médiane de la vessie. Enfin, si des erreurs irréductibles liées à la technique échographique même subsistent dans la mise au point de l'appareil, l'expérience montre qu'il nous faudra d'abord résoudre deux problèmes majeurs: éviter les variations extrêmes de l'image dans sa définition et diminuer les risques d'erreurs algorithmiques tant au point de vue reconnaissance de la coupe vésicale qu'au point de vue décision automatisée du sondage

Ce travail est consacré à une étude théorique et expérimentale du mouvement d'une particule sphérique solide, fluide ou gazeuse relâchée dans un fluide en rotation solide verticale et à faibles nombres de Reynolds et de Taylor. A cet effet, nous avons conçu un dispositif expérimental constitué d'un cylindre tournant, rempli d'huile de silicone et dans lequel sont relâchées nos particules. Au cours de nos expériences ces dernières sont filmées avec une caméra rapide, ce qui nous permet de mesurer avec précision l'évolution temporelle de leurs coordonnées spatiales. L'analyse théorique, qui s'inscrit dans une thématique de recherche relativement ancienne, corrobore l'étude de Herron, Davis et Bretherton (1975) en ce qui concerne les particules solides, et généralise leurs résultats au cas des inclusions fluide et gazeuse: bien que les vitesses de sédimentation des particules et les vitesses de migration dans le plan horizontal soient découplées, celles-ci sont affectées par la vitesse de rotation imposée au cylindre. Par ailleurs, et conformément à l'analyse théorique de Miyazaki (1995), nous observons que le mouvement horizontal de nos particules est correctement décrit par l'équation de mouvement de Boussinesq-Basset obtenue après analyse de l'écoulement de perturbation dans un référentiel non tournant et après avoir négligé, bien que cela ne soit pas tout à fait légitime, la contribution horizontal des effets d'inertie
The motion of a spherical inclusion released in a vertical solid-body rotation flow is investigated theoretically and experimentally. Solid spheres, bubbles and drop are considered. The particle Reynolds number and the Taylor number nimber are smaller than unity. The motion equations of the inclusion are obtained by revisiting the hydrodynamic equations. The axial (vertical) motion and the horizontal motion are uncoupled, even though they are sensitive to the rotation rate of the flow. Analytical solutions of the particle motin equation are compared to experimental results obtained by releasing a particle in a rotating tank filled-up with silicone oil. For solid spheres and bubbles, both the terminal velocity and the particle ejection rate (or trapping rate) predicted by the theory agree with experiments, without any empirical adjustment. Ln particular, the experimental device enables to check the validity of various theories involving solid or fluid inclusions with or without inertia or history effects. Ln agreement with Miyazaki's theory (1995), the mobility tensor of Herron, Davis and Bretherton (1975), obtained by writing the fluid motion equations in the rotating frame, accurately predicts the horizontal particle trajectory, like the Boussinesq-Basset equation obtained by writing the fluid motion equations in the non-rotating frame and neglecting the horizontal contribution of inertia effects

Dans la première partie de cette thèse, nous développons l’étude expérimentale et théorique d’un type d’interactions à très courte portée (moins de 10nm), dites de van der Waals-Zeeman, entre un atome de gaz rare et une surface métallique. Il s’agit d’utiliser d’une part un jet supersonique d’atomes métastables pour diverse espèces (Ne*, Ar*, Kr*) et, d’autre part, un jet d’argon métastable Ar*(3P2) décéléré par un ralentisseur Zeeman standard. Dans le premier cas, on observe un accroissement de la portée de l’interaction de van der Waals-Zeeman en fonction de l’augmentation de la constante d’anisotropie . Dans le second cas, l’augmentation de la portée est observée lors d’une diminution de la vitesse d’un atome d’argon métastable de 560 à 170m/s. La combinaison de ces méthodes nous a permis de mesurer la portée de l’interaction (dont l’efficacité est de quelques 10-4) avec une résolution spatiale de 2 à 3nm. Dans la seconde partie de ce travail, nous introduisons la thématique nouvelle des milieux d’indice négatif pour l’optique atomique. Ces milieux consistent en des potentiels dits comobiles agissant dans le vide. Deux effets majeurs de ces milieux d’indice négatif sont démontrés : la réfraction négative pour des ondes de matière et le rétrécissement du paquet d’onde atomique. Enfin, nous montrons que l’application de milieux d’indice négatif aux ondes évanescentes de matière (créées à l’aide d’une barrière de potentiel magnétique statique) permet de les localiser sur une épaisseur de quelques micromètres de part et d’autre du bord de la barrière de potentiel
In the first part of this thesis, we develop both theoretical and experimental studies of a type of short range atom-surface interaction (less than 10nm) called van der Waals-Zeeman transitions. To perform this study, we first use a supersonic beam of various metastable gaz rare atoms (Ne*, Ar*, Kr*), then we use a metastable argon beam Ar*(3P2) decelerated using a standard Zeeman slower. In the first case, we observe an increase of the range of the van der Waals-Zeeman interaction with respect to the raise of the anisotropy constant . In the second case, the increase of the range is observed as a function of the velocity decrease of a metastable argon atom from 560 to 170m/s. The combination of these two methods allows us to measure the range of the interaction (the yield of which is of a few 10-4) with a spatial resolution between 2 and 3 nm. In the second part of this work, we introduce the new field of negative index media for atom optics. These media consist of potentials called comoving potentials acting in vacuum. The two major demonstrated effects produced by this type of media are: the negative refraction effect for atomic waves and the spatial narrowing of the atomic wave-packet. Finally, the application of the negative index media to evanescent waves (produced by a static magnetic potential barrier) allows a localization of these waves within a few micrometers thick zone on both sides of the potential barrier

Cette thèse présente la réalisation d’un piège optique dans une configuration originale, le piston optique, où le contrôle sur la phase de l’interférence d’un faisceau incident avec sa réflexion sur un miroir permet de réaliser différents types d’expériences. Nous avons d’abord étudié les propriétés thermodynamiques d’une compression progressive du piston qui fait passer la dynamique de la particule piégée d’une région de stabilité vers une région de bistabilité mécanique. Dans le contexte de la résonance stochastique où une force extérieure périodique est appliquée sur cette dynamique bistable, une approche exploitant le facteur de Mandel ainsi qu’une analyse des délais entre les transitions d’états métastables se révèle efficace pour interpréter nos mesures dans différents régimes de forçage. Nous montrons également comment des nanoparticules métalliques peuvent être piégées aisément dans un tel piston optique et nous exploitons notre configuration pour mesurer de faibles effets de forces optiques. Enfin, nous piégeons des nano-objets chiraux uniques et nous montrons comment la configuration de notre piston permet de réaliser des expériences de reconnaissance chirale par polarimétrie différentielle
This thesis describes the experimental realization of an original optical trap, the optical piston, where controlling the phase of the interference of an incident beam with its reflection on a mirror allows achieving various experiments. We have first looked into the thermodynamics associated with a progressive compression of the piston leading the dynamics of a trapped particle from a region of stability to a region of mechanical bistability. In the context of stochastic resonance where a periodic external force is applied on this bistable dynamics, an approach exploiting the Mandel factor and a time-delay analysis on the hopping events between metastable states have proven efficient in interpreting the different results acquired in different regimes of drive. We have also shown how metallic nanoparticles can be trapped fairly easily in this kind of optical piston and we exploit our configuration to measure weak optical forces. Finally, we trap unique chiral nano-objects and we show how the configuration of our piston allows the realization of chiral recognition experiments by differential polarimetry

Cette thèse d'histoire de la physique est constituée de manière à voir la physique telle qu'elle se fait, au plus près des savants comme Coulomb, Ohm, Maxwell et Couette. Ils établissent des lois et des méthodes de mesure par des chemins variés pour s'assurer de leur stabilité à une époque donnée. Dans la durée, ces physiciens font naître, vivre et mourir une méthode de mesure pour une autre de plus grande simplicité; les lois de Coulomb et Ohm, reconnues avec difficultés, sont vérifiées et limitées dans leur champ d'application ou d'expérimentation. Le sujet est abordé non pas de manière ex cathedra mais progressivement à partir des mémoires ou comptes-rendus d'expériences des savants. Là, l'alliance de la main et de l'esprit a pour but, non pas d'obtenir une vérité ultime, mais de vérifier des idées et des méthodes nouvelles en construisant des instruments permettant ce contrôle
This thesis of the history of physics is constructed to see physics as it is done, as close as possible to scientists such as Coulomb, Ohm, Maxwell and Couette. They established laws and measuring methods by different ways to assure their stability at a given time. After a long period, while these physicists let create, live and die a measuring method, they change for and other one, much simple; Coulomb's and Ohm's laws, one reluctantly accepted, were verified and limited in their range of application and experimentation. This subject is tackled not ex cathedra but progressively going through memoirs or reports on experiments. There, the union of hand with mind is not to look for a last truth, but to verify new ideas and methods with instruments to control it

Les MEMS et NEMS (Micro et Nano ElectroMechanical Systems) connaissent un développement important notamment dans le cadre de la Nanomécanique. Le bon fonctionnement de ces MEMS/NEMS est soumis au contrôle des interactions de surfaces séparées par des distances de l'ordre de 100 nm à 1 Μm. A cette échelle, les forces dominantes peuvent être de nature variée (Van der Waals, Casimir, électrostatique, magnétique,...). Ce travail de thèse est consacré à l'étude expérimentale par AFM des interactions électrostatiques et de Van der Waals/Casimir entre une microsphère et une surface d'or. Une attention particulière a été apportée à la préparation et à la caractérisation des sondes (microsphère collée sur un microlevier). Ensuite, à partir de l'analyse du bruit et de la sensibilité du système de mesure, nous avons pu montrer notre capacité à mesurer des forces faibles avec une résolution inférieure au piconewton. Par une détection statique, nous avons mesuré précisément des forces capacitives de l'ordre de quelques dizaines de piconewton et pour des distances comprises entre 100 et 500 nm. Nous avons mesuré et quantifié les effets de la déflexion du microlevier sur la détermination de la distance sphère-surface. Par des mesures dynamiques, nous avons étudié le couplage entre un oscillateur (sphère-microlevier) excité mécaniquement ou thermiquement et une surface sous l'effet de la force de Casimir. Enfin, les mesures en mode dynamique, nous ont permis d'aborder l'étude des mécanismes de dissipation associés aux interactions à longue distance. Nous avons ainsi observé la dissipation par couplage électromécanique.