Дисертації з теми "Glace de spin artificielle"

La frustration est un concept physique qui apparaît lorsque toutes les interactions d'un système ne peuvent être satisfaites en même temps. La glace de spins artificielle est un exemple de système magnétique frustré par la compétition entre interactions dipolaires. Jusqu'ici, les propriétés de ce métamatériau ont été étudiées à l'aide de techniques microscopiques. Ces dernières ne permettent qu'un accès limité à la dynamique du système. Cette dernière pourrait être étudiée par les techniques de diffusion qui ont une meilleure résolution temporelle.La diffusion magnétique résonante des rayons-x mous (SXRMS) est une technique qui a une résolution spatiale comparable avec les tailles standards de la glace de spins artificielle. Le but de cette thèse est de démontrer que cette technique peut apporter des informations intéressantes sur l'organisation magnétique. Elle est organisée en deux parties principales. Tout d'abord, la fabrication d'échantillon est décrite étape par étape. Ensuite, les études de la glace de spins carrée et kagome sont présentées. Des signaux d'origine magnétique ont été enregistré qui apportent une vision de l'organisation magnétique. L'interprétation de ces signaux est complexe à cause de l'espace réciproque. Le dernier chapitre présente une série de mesures utilisant des techniques non-microscopiques sur des systèmes avec des fluctuations magnétiques.Les différentes études présentées montrent que non seulement la glace de spin artificielle peut être étudiée par la diffusion et les autres techniques apportent des informations sur le système. Cette thèse ouvre la voie à des techniques plus avancées comme, dans le domaine des rayons X, l'illumination de l'échantillon avec un faisceau cohérent. Le travail présenté est par conséquent une première étape vers l'étude de la dynamique dans la glace de spins artificielle
Frustration is a concept in physics which appears when all interactions in a system cannot be satisfied at the same time. Artificial spin ice is an example of a magnetic system that is frustrated by the competition between the dipolar interactions. So far, the properties of this metamaterial has been studied by means of microscopic techniques with the disadvantage of a limited dynamical range. At a time when dimensions of the nanomagnets allow the access to fast dynamics using magnetic fluctuations, the time-resolution of scattering techniques could make them relevant for such studies.Soft x-ray resonant magnetic scattering (SXRMS) is a magnetic-sensitive technique with a resolution compatible with the dimensions of artificial spin ice. The scope of this thesis is to demonstrate that SXRMS can bring relevant information about the magnetic organisation in artificial spin ice. It is organized in two parts. The fabrication of scattering-compatible artificial spin ice samples is described step by step. Then, the studies of both artificial square and kagome spin ice are presented. Signals of magnetic origin have been recorded, bringing insights in the magnetic organization of the system. While most of the studies have been performed on static systems, a small chapter is presenting a serie of studies using non-microscopic techniques which include systems with fluctuating magnetic moments.The different studies performed within this thesis demonstrate that artificial spin ice can not only be studied by microscopy techniques, but that scattering and non-microscopic methods are also relevant. In particular, it opens the way to more advanced experiments such as, in the x-ray domain, the illumination of the system with a coherent beam in order to resolve the nature of the very short magnetic correlations using x-ray photon correlation spectroscopy technique. The presented work is therefore a first step toward the study of dynamics in artificial spin ice

Depuis leur introduction en 2006, les systèmes de spins artificiels ont suscité un large intérêt autant pour leur similarité avec des systèmes frustrés tels que la glace d'eau ou certains pyrochlores. Ces réseaux de nano-aimants sont observables par des techniques de microscopie simples et modifiables à volonté. Dans ce travail, nous avons étudié des modifications de géométries classiques pour l’étude de l’évolution des interactions et pour l’élaboration d’un dispositif. Dans un premier temps, nous avons étudié la modification des interactions par la rotation des éléments d’un système carré. Pour un système dans l’état brut de croissance, l’état de fondamental évolue d’ordre antiferromagnétique à ferromagnétique suivant les prédictions de calculs dipolaires. En considérant les interactions longue portée dans nos simulations Monte Carlo, nous avons décrit l’énergie dipolaire totale ainsi que les populations de vertex de notre système. Cette description a mené à une étude de la thermodynamique du système et la détermination d’une température effective unique. Ensuite, nous nous sommes intéressés à la possibilité de « tailler sur mesure » ces systèmes de spins artificiels pour des applications de calcul. Nous avons commencé par montrer que ces systèmes sont plus adaptés en exploitant de la propagation de paroi plutôt que le couplage. Nous avons ensuite établi que le défi dans de grandes structures connectées est le compromis entre champ de nucléation et champ de piégeage du haut de la structure. Par une optimisation fine de sa forme, nous avons observé la propagation d’une paroi injectée à un endroit choisi. Cette propagation a été caractérisée en termes de champs de propagation, de types de renversements et a montré que notre système optimisé permet des propagations en majorité unidimensionnelles qui sont stochastiques. Ce comportement aléatoire a pu être décrit par un poids moyen décrivant l’ensemble des choix réalisés, ces derniers ne présentant aucune corrélation entre eux. Notre étude a démontré que les systèmes de spins peuvent être utilisés pour de la génération de nombres aléatoires au même titre qu’une planche de Galton. Cette thèse a donc montré la versatilité des systèmes de spins artificiels en qualité de glace de spin pour la compréhension de la modification des interactions dans leur thermodynamique. Ce travail a aussi démontré leur versatilité pour des applications de génération de nombres aléatoires grâce à une optimisation de leur géométrie
Since their introduction in 2006, artificial spin ice systems have sparked an interest for their similarity with frustrated systems such as water ice or some pyrochlores. These networks of interacting nanomagnets can be observed using simple microscopy techniques and be tailored at will. In this work, we have studied customised geometries in order to observe the evolution of dipolar interactions and develop a device. First, we have studied the tuning of the dipolar interactions induced by rotation of the elements of the square geometry. For an as-grown system that the ground state evolution from antiferromagnetic to ferromagnetic orders observed is consistent with dipolar computations. Taking into account the long-range interactions in our Monte Carlo simulations, we have described the total dipolar energy along with the vertex populations of our system with all its tilted networks. This has led to a study of the thermodynamics of our system and a unique effective could be ascribed. Secondly, we have taken an interest into the possibility of tailoring these artificial spin systems for applications in random number generation. We have seen that these systems are a better fit exploiting domain wall propagation rather than reversals by coupling. We have then established that the main challenge to overcome in large connected structures is the trade-off between nucleation field from the outputs and depinning field of the upper part of the nanostructure. Indeed, it is necessary to ensure than the domain wall propagating in the structure is indeed the injected one and that no parasitic nucleation occurs which is overcome this issue. The domain wall propagation has been characterised in terms of propagation fields and types of reversals. We have shown that our optimised system exhibits reversal induced by the injected domain wall mainly in unidimensional fashion with clear stochastic behaviour. The characterisation of this behaviour has shown that a mean weight value describes the choices observed which do not exhibit any correlation. Our artificial spin system therefore behaves as a Galton board, the prime device for random number generation. This PhD work has shown the versatility of artificial spin systems as spin ice for understanding the influence of tuned interactions in their thermodynamics. This work has also demonstrated their versatility for an application with the characterisation of their stochastic behaviour through an optimisation of the geometry

Les réseaux artificiels de spin ont été initialement introduites pour l'étude des effets de frustration géométrique dans des réseaux bidimensionnelles de spin, un approche complémentaire à l'étude de la frustration rencontré dans les glaces pyrochlores de spin. Généralement fabriqués en utilisant des techniques de lithographie, ces réseaux de nanoaimants peuvent être élaborer avec une grande degré de liberté. Etant donné la taille et la forme de ces plots magnétiques, l'aimantation est presque uniforme dans tout leur volume, un aspect qui fait que ces aimants peuvent être considérés comme des spin Ising classique géants. Avec la possibilité d'imager chacun degrée de liberté magnétique dans l'espace direct, ces systèmes offrent un large spectre d'opportunités pour l'étude de la frustration dans un cadre magnétostatiques bidimensionnelle et la potentielle découverte de phases magnétiques exotiques. Toutefois, contrairement à leurs homologues de la matière condensée, la première génération de glaces de spin artificiels sont pratiquement insensibles aux fluctuations thermiques. Par conséquence, d'autres dynamiques sont nécessaires pour amener ces systèmes vers leurs variétés de basse énergie et un protocole de désaimantation a été généralement utilisé dans ce sens, mais ce processus arrivent à accommoder juste partiellement les interactions entre les nanoaimants. Plus récemment, des réseaux artificiels de spin thermiquement-actives ont été introduits, permettant de dépasser les limitations des réseaux désaimantes pour la recherche des textures de spin exotiques.Cette thèse présente des études expérimentales et numériques réalisés sur des réseaux kagomé de spin. La glace artificielle kagomé planaire a été un point central d'intérêt pendant les dernières années, grâce à ses variétés énergétiques hautement dégénérés et aux textures de spin non-conventionnelles. Ainsi, dans un cadre magnétostatique, il présent une phase exotique caractérisée par la coexistence d'un état cristallin, associée à la charge magnétique, et un réseau de spin désordonnés. Bien que la désaimantation n'arrive pas d'accéder cet état remarquable, les réseaux thermiquement actives ont réussi de créer des cristallites de cette phase. La première partie de ce travail présente le protocole expérimental utilisé pour réaliser cet état. En plus, un modèle cinétique est proposé qui reproduit avec succès les caractéristiques observées et explique l'efficacité de cette approche.Dans un deuxième temps, un étude sur un nouveau système de glace de spin artificielle est présenté: le réseau kagomé Ising artificielle. Ce système présentent des moments magnétiques qui pointent selon l'axe verticale, contrairement au réseau kagomé planaire. Un étude récent sur ce système a conclu que, après la démagnétisation, ces deux réseaux kagomé artificiels présentent des corrélations de spins similaires et leurs états magnétiques rémanentes peuvent être bien caractérisées par des modèles de spin basés sur des interactions à courte portée. Avec des protocoles de désaimantation, des mesures de microscopie à force magnétique et des simulations Monte Carlo, il est montré que les interactions dipolaires à longue portée entre les éléments magnétiques ne peuvent pas être négligés lors de la description des états rémanents des réseaux kagome Ising artificiels désaimantées. Ces résultats limitent la validité du comportement universel entre les deux réseaux kagomé artificiels et enrichissent la palette de phases magnétiques qui peuvent être réaliser avec de tels systèmes nanostructurés. Les simulations Monte Carlo indiquent que ce réseau kagomé Ising présente un comportement de basse énergie différente de la glace kagomé planaire, mais la variétés fondamentale dans ce cadre dipolaire reste inconnu. Toutefois, en inspectant ses caractéristiques thermodynamiques à basse température et grâce une construction géométrique, un candidat pour l'état fondamental est fourni
Artificial spin networks were initially proposed as toy-spin models destined for the investigation of magnetic frustration effects in two-dimensional spin lattices, a complementary approach to the study of the magnetic frustration encountered in spin ice pyrochlores. Generally fabricated via lithography techniques, these arrays of nano-scale magnetic islands can be designed at-will. Given the size and shape of the elements, their magnetization is almost uniform throughout their volume, thus making these islands act like classical Ising spins. Combined with the possibility of individually imaging the magnetic degrees of freedom in real space, these systems offer an almost infinite playground for the investigation of competing interactions in magnetostatic frameworks and potential for the experimental discovery of novel and exotic magnetic phases. However, unlike their condensed matter counterparts, first-generation artificial spin networks are insensitive to thermal fluctuations, requiring other driving mechanisms for accessing their complex low-energy manifolds. A field-protocol has been employed for driving such networks towards their ground-state configurations, although they only partially manage to accommodate pair-island interactions. More recently, thermally-active artificial spin networks have been introduced, surpassing the limits of demagnetized arrays in the quest for exotic low-energy spin textures.This thesis presents experimental and numerical studies performed on artificial kagome spin arrays, one of the most frustrated two-dimensional lattices. The kagome spin ice geometry has received most of the community's attention as it presents highly degenerate manifolds and unconventional spin textures. Within a dipolar long-range framework, it displays a low-temperature regime characterized by the coexistence of a crystalline phase, associated to the magnetic charge, and a disordered spin lattice. While demagnetizing such artificial kagome arrays cannot access this exotic state, thermally-active networks can locally retrieve such a phase, creating crystallites of antiferromagnetically-ordered magnetic charges. The first part of this work presents the experimental protocol employed to this purpose. A kinetic model is also proposed that successfully captures the observed experimental features and explains the efficiency of this approach.The second part of the current thesis presents a study of a novel artificial spin ice system, the artificial kagome Ising network. This network primarily differs from the kagome spin ice array by having its magnetic moments pointing along the vertical axis. A recent study of this system has concluded that, after demagnetization, these two artificial kagome networks display similar pairwise spin correlation development and their final frozen states can be well characterized by short-range interaction models. Through the use of demagnetization protocols, magnetic force microscopy and Monte Carlo simulations, it is demonstrated that long-range dipolar interactions between the magnetic elements cannot be neglected when describing the remanent states of demagnetized artificial kagome Ising networks. These results assess the limits of the reported universal behavior of artificial kagome lattices and enrich the spectrum of magnetic phases that could be achieved with such nanostructured systems. Indeed, Monte Carlo simulations indicate that this kagome Ising network presents a different low-energy behavior than kagome spin ice, the incipient stages of which have been accessed experimentally, but its dipolar ground-state configuration remains unknown. Nevertheless, by inspecting the low-temperature thermodynamic features of this array and through the use of a geometrical construction, a ground-state candidate is provided

Les glaces de spin, comme Dy2Ti2O7 et Ho2Ti2O7, sont des matériaux présentant un magnétisme particulièrement exotique. Ils constituent les premiers composés cristallins ferromagnétiques frustrés à avoir été découverts. Cette frustration permet la fractionnalisation des degrés de liberté de spin et l’émergence de monopôles magné-tiques, dont la physique est formalisée par le modèle des haltères.Dans cette thèse, nous étudions dans un premier temps le diagramme de phase de ce modèle grâce à un parallèle avec le modèle de Blume-Capel S = 2. On identifie dans ce diagramme la phase fragmentée observée expérimentalement dans Ho2Ir2O7,et on localise le point critique de la transition entre la phase glace de spin et la phase fragmentée.Dans un second temps, on montre numériquement que la dynamique du système autour de ce point critique appartient à la classe d’universalité du modèle d’Ising 3D. On utilise pour cela deux outils : les lois d’échelle de Kibble-Zurek et le rapport de fluctuation-dissipation. L’obtention de ce dernier a nécessité l’introduction d’une méthode novatrice pour le calcul des fonctions de réponse. Nous soulignons également que ces outils sont spécifiquement intéressants dans le cas des glaces de spin où les temps microscopiques sont de l’ordre de 1 μs, rendant le ralentissement critique observable expérimentalement.Dans un troisième temps, nous employons à nouveau la violation du théorème de fluctuation-dissipation pour caractériser un régime fortement hors équilibre de la phase glace de spin, où les degrés de liberté sont cinétiquement bloqués du fait de l’attraction coulombienne entre les monopôles
Spin ices, such as Dy2Ti2O7 and Ho2Ti2O7, are materials exhibiting exotic magnetic properties. They were the first frustrated ferromagnetic crystalline compounds to be discovered. The frustration leads to the fractionnalisation of the spin degrees of freedom and the emergence of magnetic monopoles, whose physics is formalised in the dumbbell model. In this thesis, we study the full phase diagram of this model in analogy with theS=2 Blume-Capel model. We identify in this diagram the fragmented phase observed experimentally in Ho2Ir2O7, and we localise the critical point of the transition between the spin ice phase and the fragmented phase.In a second part, we show numerically that the dynamics of this system at thecritical point belongs to the 3D Ising university class. We use for this two tools :the Kibble-Zurek scaling law and the fluctuation-dissipation ratio. For the latter, ithas been necessary to introduce a novel method to measure response functions. Wealso emphasize that these tools are specifically interesting for spin ice materials, as the unusually long microscopic time scale (1 μs) should make it possible to experimentallyobserve out-of-equilibrium phenomena related to critical slowing down.In a third part, we use the violation of the fluctuation-dissipation theorem to characterise a strongly out-of-equilibrium regime of spin ice - a thermal quench from high to low temperature, where degrees of freedom are kinetically blocked because ofthe Coulombic attraction between the monopoles

La frustration - c'est-à-dire la présence d'interactions de nature compétitive - donne lieu à des effets de grande complexité en physique. La glace - aussi bien la phase bien connue de l'eau, que ses analogues magnétiques, dites " glaces de spin " - en offre un exemple remarquable. Pour des interactions à courte portée et des degrés de liberté classiques, son état fondamental est infiniment dégénéré, et comporte en outre des corrélations à longue portée induites par une contrainte locale, caractéristiques de la phase dite de Coulomb. Ses excitations élémentaires correspondent au retournement d'un dipôle qui se " fractionnalise " en deux monopôles. Dans cette thèse nous nous intéressons à la stabilité de cette phase de Coulomb dans la glace bidimensionnelle - réalisée aussi bien comme glace de protons dans des composés organiques, que comme glace de spin dans des systèmes nanomagnétiques. Dans le cas classique, les interactions dipolaires - présentes dans les systèmes expérimentaux - déstabilisent la phase de Coulomb dans son état fondamental. Cependant, une déformation de la simple géométrie planaire permet de récupérer cette phase dans un régime où différents états ordonnés entrent en compétition. Dans le cas quantique, les fluctuations dues à un champ magnétique transverse induisent une brisure de symétrie dans l'état fondamental qui, à basse température, cède la place à une phase de Coulomb quantique, réalisant un liquide de spin quantique avec excitations fractionnalisées. Nos résultats sont obtenus à l'aide de méthodes analytiques (analyse harmonique classique et quantique et théorie de perturbations) aussi bien que numériques (Monte Carlo) fondées sur des algorithmes originaux.

Cette thèse est une étude par diffusion neutronique des pyrochlores Tb2Ti2O7 et Pr2Zr2O7. Ces composés, pour lesquels les ions magnétiques sont des ions Non-Kramers (NK), sont présentés comme de potentielles glaces de spin quantiques. Dans Pr2Zr2O7, l'étude des réponses élastique et inélastique et des structures induites sous champ nous amènent à conclure que l'état fondamental serait une recombinaison du doublet fondamental de champ cristallin (CEF) du fait de l'existence de termes multipolaires dans l'Hamiltonien. Ces termes seraient dus à un couplage magnéto-cristallin. Dans l'approximation de champ moyen, un modèle local de distorsion structurale semble en effet reproduire nos résultats. Dans Tb2Ti2O7, malgré de notables différences avec Pr2Zr2O7, nos mesures indiquent qu'un mécanisme semblable de mélange des fonctions d'onde du doublet fondamental de CEF a lieu. Ce mélange impliquerait des termes multipolaires également dus au couplage magnéto-cristallin et nous avons pu observer une signature directe de ce couplage. Les mécanismes en jeu dans ces systèmes ne seraient pas ceux proposés pour les glaces de spin quantiques mais dus à la sensibilité des ions NK à leur environnement. L'étude de composés non-st¿chiométriques montre la réactivité du magnétisme aux perturbations
This work is the neutron scattering study of the pyrochlores Tb2Ti2O7 and Pr2Zr2O7. These compounds where magnetic ions are Non-Kramers ions are expected to be quantum spin ices. In Pr2Zr2O7, the study of the elastic and inelastic response together with the study of the magnetic structures in applied magnetic field lead to the conclusion that the magnetic ground state is a mixing of the wave functions of the crystal-field ground state doublet because of quadrupolar terms in the Hamiltonian. These terms would originate from a coupling to the lattice. Using the mean-field approximation, a model based on a local structural distortion reproduces quite well our measurements. Despite strong differences with Pr2Zr2O7, our measurements provide evidence for a similar mechanism in Tb2Ti2O7. Again, this would be caused by multipolar terms in the Hamiltonian reflecting a strong coupling of the magnetic moments to the lattice. Then, these pyrochlores would not be quantum spin ices. Instead, the extreme sensibility to the environment characteristic of the Non-Kramers ions would lead to these fluctuations. Our measurements of samples slightly off-stoichiometry emphases the strong reactivity of the magnetic behavior of these compounds

La glace de spin est un matériau magnétique frustré (cristal de Titane d'Holmium ou de Dysprosium par exemple ...), ayant pour propriété essentielle l'existence d'un état fondamental macroscopiquement dégénéré et donc une entropie non nulle à 0 Kelvin. La frustration géométrique dans ce composé donne lieu à de fortes contraintes topologiques sur les spins. Dans cette thèse, je présenterai certaines conséquences de ces contraintes, telles que l'apparition de transition de phases exotiques en présence de champ magnétique ou de pression, ou bien l'émergence d'excitations locales analogues à des monopoles magnétiques dont l'influence est primordiale dans la dynamique des composés de glace de spin !

Dans cette thèse, l’étude de plusieurs modèles de systèmes magnétiques frustrés a été couverte. Leur racine commune est le modèle de la glace de spin, qui se transforme en modèle de la glace sur réseau kagome (kagome ice) et réseau en damier (square ice) à deux dimensions, et la chaîne d’Ising à une dimension. Ces modèles ont été particulièrement étudiés dans le contexte de transitions de phases avec un ordre magnétique induit par les contraintes du système : en effet, selon la perturbation envisagée, les contraintes topologiques sous-jacentes peuvent provoquer une transition de Kasteleyn dans le kagome ice, ou une transition de type vitreuse dans la square ice, due à l’émergence d’un ordre ferromagnétique dans une chaîne d’Ising induit seulement par des effets de taille fini. Dans tous les cas, une étude détaillée par simulations numériques de type Monte Carlo ont été comparées à des résultats théoriques pour déterminer les propriétés de ces transitions. Les contraintes topologiques du kagome ice ont requis le développement d’un algorithme de vers permettant aux simulations de ne pas quitter l’ensemble des états fondamentaux. Une revue poussée de la thermodynamique et de la réponse de la diffraction de neutrons sur kagome ice sous un champ magnétique planaire arbitraire, nous ont amené à une compréhension plus profonde de la transition de Kasteleyn, et à un modèle numérique capable de prédire les figures de diffraction de neutrons de matériau de kagome ice dans n’importe quelles conditions expérimentales. Sous certaines conditions, ce modèle a révélé des propriétés thermodynamiques quantifiées et devrait fournir un terreau fertile pour de futurs travaux sur les conséquences des contraintes et transitions de phases topologiques. Une étude combinée du square ice et de la chaîne d’Ising a mise en lumière l’apparition d’un ordre sur réseau potentiellement découplé de l’ordre ferromagnétique sous-jacent, et particulièrement pertinent pour les réseaux magnétiques artificiels obtenus par lithographie
In this thesis a series of model frustrated magnets have been investigated. Their common parent is the spin ice model, which is transformed into the kagome ice and square ice models in two-dimensions, and an Ising spin chain model in one-dimension. These models have been examined with particular interest in the spin ordering transitions induced by constraints on the system: a topological constraint leads, under appropriate conditions, to the Kasteleyn transition in kagome ice and a lattice freezing transition is observed in square ice which is due to a ferromagnetic ordering transition in an Ising chain induced solely by finite size effects. In all cases detailed Monte Carlo computational simulations have been carried out and compared with theoretical expressions to determine the characteristics of these transitions. In order to correctly simulate the kagome ice model a loop update algorithm has been developed which is compatible with the topological constraints in the system and permits the simulation to remain strictly on the groundstate manifold within the appropriate topological sector of the phase space. A thorough survey of the thermodynamic and neutron scattering response of the kagome ice model influenced by an arbitrary in-plane field has led to a deeper understanding of the Kasteleyn transition, and a computational model that can predict neutron scattering patterns for kagome ice materials under any experimental conditions. This model has also been shown to exhibit quantised thermodynamic properties under appropriate conditions and should provide a fertile testing ground for future work on the consequences of topological constraints and topological phase transitions. A combined investigation into the square ice and Ising chain models has revealed ordering behaviour within the lattice that may be decoupled from underlying ferro- magnetic ordering and is particularly relevant to magnetic nanoarrays

Cette thèse présente une étude complète des propriétés statiques et dynamiques du modèle à seize vertex en 2D, une version simplifiée de la glace de spin avec interactions dipolaires. Après une discussion générale sur le magnétisme frustré, et la glace de spin en particulier, on justifie l'introduction de notre modèle pour étudier le comportement collectif de la glace de spin. On utilise un algorithme de Monte Carlo à temps continu avec une dynamique locale qui nous permet d'analyser les phases d'équilibre et les propriétés critiques du modèle 2D. On compare nos résutats avec les resultats obtenus dans les cas où le système est intégrable. On définit ensuite le modèle sur des arbres orientés et on applique une approximation du type Bethe-Peierls. Afin de discuter le domaine de validité de cette approche, on compare les résultats ainsi obtenus avec les résultats exacts et numériques obtenus pour le modèle 2D. L'apparition récente des glaces de spin artificielles suggère un certain choix des paramètres du modèle. On montre que le modèle à seize vertex décrit de façon précise la thermodynamique de la glace de spin artificielle. On présente en détail le diagramme de phase et la nature des phases d'équilibre du modèle à seize vertex. Afin d' inclure l'effet des fluctuations thermiques responsables de apparaition de défauts ponc- tuels dans la glace de spin, on construit une extension stochastique du modèle intégrable à six vertex. On étudie, par l'intermédiaire de simulations Monte Carlo, comment le système s'ordonne dans le temps après différentes trempes. On analyse l'évolution de la densité de défauts et on iden- tifie les mécanismes dynamiques qui pilotent la relaxation vers ses différentes phases d'équilibre. On montre ainsi que la dynamique donne lieu à du "coarsening" et qu'elle vérifie l'hypothèse de "scaling" dynamique. On discute le rôle des défauts topologiques étendus et ponctuels présents dans le système au cours de l'évolution. Finalement, on étudie la présence d'un régime dynamique où le système reste gelé pendant de longues périodes de temps, ce qui à été observé dans la glace de spin dipolaire en 3D.

Cette thèse présente une étude détaillée des propriétés statiques et dynamiques du modèle à seize vertex en 2D, une version simplifiée de la glace de spin avec interactions dipolaires. Après une discussion générale sur le magnétisme frustré, et la glace de spin en particulier, on justifie l'introduction de notre modèle afin d'étudier le comportement collectif de la glace de spin. On utilise un algorithme de Monte Carlo à temps continu avec une dynamique locale afin d' analyser les phases d'équilibre et les propriétés critiques du modèle 2D. On compare nos résultats avec les résultats obtenus dans les cas o`u le système est intégrable. On définit ensuite le modèle dans sur des arbres orientés définis de façon adéquate, puis on applique une approximation du type Bethe-Peierls pour l'étude des phases d' équilibre du modèle. On discute le domaine de validité de cette approche et on compare les résultats ainsi obtenus avec les résultats exacts et numériques obtenus pour le modèle 2D. L'apparition récente des glaces de spin artificielles suggèrent un certain choix des paramètres du modèle. On montre que le modèle à seize vertex décrit de façon précise la thermodynamique de la glace de spin artificielle. Nos résultats théoriques sont quasi-qualitativement en accord avec les données expérimentales en dehors du point critique. On présente en détail le diagramme de phases et la nature des phases d'équilibre du modèle à seize vertex. Notre modèle est construit comme une extension stochastique du modèle intégrable à six vertex pour ainsi inclure l'effet des fluctuations thermiques qui font naturellement apparaitre des défauts. On étudie, par l'intermédiaire de simulations Monte Carlo, comment le système s'ordonne dans le temps après différentes trempes. On analyse l'évolution de la densité de défauts et on identifie les mécanismes dynamiques qui pilotent les différents types d'ordres vers lesquels le système évolue. On montre que la dynamique donne lieu à du ``coarsening" et elle vérifie l'hypothèse de ``scaling" dynamique. On discute le rôle dans la dynamique des défauts topologiques étendus et ponctuels présents dans le système. Finalement, on étudie la présence d'un régime dynamique où le système reste gelé pendant de longues périodes de temps, ce qui a été observe dans la glace de spin dipolaire en 3D
In this thesis we present a thorough study of the static and dynamic properties of the 2D sixteen-vertex model or, in other words, a simplified version of the dipolar spin-ice model. After a general discussion on frustrated magnets, and spin-ice in particular, we motivate the introduction of our sixteen-vertex model in order to study the collective behaviour of spin-ice. We use a rejection-free continuous-time Monte Carlo algorithm with local spin-flip updates to analyse the equilibrium phases and the critical properties of the 2D model. We compare our results with the integrable cases. We extend the model to be defined on carefully chosen trees and employ a Bethe-Peierls approximation to study the equilibrium properties of generic vertex models. The range of validity of the approximation is discussed by comparing the results obtained analytically for the model defined on trees with the exact and numerical results obtained for the 2D model. Motivated by advent of artificial spin-ice realisations, we set the parameters of the model in order to reproduce the experimental situation. We show that the sixteen-vertex model gives an accurate description of the thermodynamics of artificial spin-ice samples. Our theoretical results are in quasi-quantitative agreement with experimental data obtained in as-grown samples away from the critical point. The phase diagram of the sixteen-vertex model and the nature of the equilibrium phases is presented in detail. Our vertex model is build as a stochastic extension of the integrable six-vertex model in order to include thermal fluctuations in the form of defects. We study the ordering dynamics of the system following different kind of quenches by means of Monte Carlo simulations. We analyse the evolution of the density of defects and we identify the dynamical mechanisms leading the different ordering processes. We show that the dynamics proceed through coarsening accordingly to the dynamical scaling picture. The interplay between localised and extended topological defects is discussed. We study in detail the existence of a dynamical arrest following a quench as observed in 3D dipolar spin-ice

Par une approche supramoléculaire, des architectures radiales hétéro-poly-métalliques ont été réalisées pour des applications en photosynthèse artificielle et en magnétisme moléculaire. Dans une première partie, la synthèse et la caractérisation (spectroscopie UV-vis, émission, électrochimique, DRX) de complexes de ruthénium(II), possédant une gamme de ligands polypyridines, ont été réalisées. Les calculs théoriques ont été effectués afin de soutenir l’interprétation des propriétés photophysiques. Ces complexes, présentant un certain nombre de pyridines externes, ont servi de cœur à des architectures à base de rhénium tris-carbonyles (pour les effets d’antenne), et de cobaloximes (pour les propriétés catalytiques). Les nucléarités obtenues varient de 2 à 7 selon le cœur utilisé. Ces systèmes ont été engagés dans des cycles de photo-production de dihydrogène, démontrant une meilleure efficacité que la référence du domaine, le [Ru(bpy)3]2+. La seconde partie concerne l’étude de couples de métaux de transition, construits à partir de briques polycyanométallates, ou de lanthanides pontés par des ligands oxamides. Ces approches « complexes comme ligand » puis « assemblages comme ligand » permettent d’obtenir des systèmes de haute nucléarité, présentant des propriétés de molécule-aimant ou des effets magnéto-caloriques (à base de CrNi, GdCu, DyCu). Des propriétés photomagnétiques ont été observées sur les couples RuCu et MoCu, pouvant servir de commutateurs moléculaires dans des systèmes complexes. Enfin, une structure hétéro-tétra-métallique trifonctionnelle a été obtenue contenant à la fois un commutateur MoCu, une entité molécule-aimant CuTb et un complexe de ruthénium.
By a supramolecular strategy, radial hetero-poly-metallic architectures were obtained for applications in artificial photosynthesis and molecular magnetism. The first part is devoted to the synthesis, as well as the photophysical characterization (UV-vis absorption, emission, electrochemistry, X-ray diffraction) of ruthenium(II) complexes bearing a wide range of polypyridine ligands. Theoretical calculations were performed to support the interpretation of the photophysical properties. Through their pendant pyridine moieties, these complexes were used as core of architectures, bearing rhenium tris-carbonyl (for antenna effects), and cobaloximes (for catalytic properties) complexes. The nuclearities obtained vary from two to seven according to the core involved. These systems were engaged in photo-production of hydrogen, demonstrating more efficient systems than the reference in the field, the archetypal [Ru(bpy)3]2+. The second part concerns the study of transition metal couples, built on polycyanometallate cores, or oxamide-bridged lanthanide-based assemblies. These “complex as ligand” and “assemblies as ligand” approaches allow us to obtain high nuclearity systems on which we seek single molecule magnet (SMM) properties or good magnetocaloric effect (based on CrNi, GdCu, DyCu). Photo-magnetic properties have been studied on the RuCu and MoCu couples, which can serve as molecular switches in complex systems. Finally, a tri-functional hetero-tetra-metallic architecture was obtained containing a MoCu switch, a CuTb SMM entity, and a ruthenium complex.

Les gaz ou fluides de Coulomb sont composés de particules chargées couplées entre elles par interaction coulombienne à longue portée. De part la nature de ces interactions, la physique du gaz de Coulomb est très riche, comme par exemple dans des électrolytes plus ou moins complexes, mais aussi à travers l'émergence de monopôles magnétiques dans la glace de spin. Dans cette thèse nous nous intéressons au comportement hors d'équilibre des gaz de Coulomb et de la glace de spin. Au centre de cette étude se trouve le deuxième effet de Wien, qui est une croissance linéaire de la conductivité en fonction du champ électrique appliqué à un électrolyte faible. Ce phénomène est une conséquence directe de l'interaction coulombienne qui pousse les charges à se lier par paires ; le champ électrique va alors aider à dissocier ces paires et créer des charges mobiles qui amplifient la conductivité. Le deuxième effet de Wien est un processus hors-équilibre non-linéaire, remarquablement décrit par la théorie de Onsager. Nos simulations sur réseau permettent de découvrir le rôle de l'environnement ionique qui agit contre le deuxième effet de Wien, ainsi que de caractériser la mobilité du système et sa dépendance en fonction du champ externe. Les simulations nous ont aussi donné accès aux corrélations de charges qui décrivent le processus microscopique à la base de l'effet Wien. Enfin, nous regardons plus précisément le gaz émergent de monopôles dans la glace de spin, aussi appelé « magnétolyte », capable de décrire de manière remarquable les propriétés magnétiques de glace de spin. Nous décrivons la dynamique complète hors-équilibre de cette magnétolyte soumise à une forçage périodique ou une trempe dans un champ magnétique en incluant à la fois le deuxième effet de Wien et la réponse du réseau de spins qui est à la base de l'émergence des monopôles magnétiques. Tout au long, nous utilisons une simple extension des simulations de gaz de Coulomb sur réseau pour préciser nos prédictions. Il est très rare de trouver une théorie analytique du comportement hors-équilibre d'un système hautement frustré au-delà de la réponse linéaire
A Coulomb gas or fluid comprises charged particles that interact via the Coulomb interaction. Examples of a Coulombic systems include simple and complex electrolytes together with magnetic monopoles in spin ice. The long-range nature of the Coulomb interaction leads to a rich array of phenomena.This thesis is devoted to the study of the non-equilibrium behaviour of lattice based Coulomb gases and of the quasi-particle excitations in the materials known as spin ice which constitute a Coulomb gas of magnetic charges. At the centre of this study lies the second Wien effect which describes the linear increase in conductivity when an electric field is applied to a weak electrolyte. The conductivity increases due to the generation of additional mobile charges via a field-enhanced dissociation from Coulombically bound pairs.The seminal theory of Onsager gave a detailed analysis of the Wien effect. We use numerical simulations not only to confirm its validity in a lattice Coulomb gas for the first time but mainly to study its extensions due to the role of the ionic atmosphere and field-dependent mobility. The simulations also allow us to observe the microscopic correlations underlying the Wien effect.Finally, we look more closely at the emergent gas of monopoles in spin ice—the magnetolyte. The magnetic behaviour of spin ice reflects the properties of the Coulomb gas contained within. We verify the presence of the Wien effect in model spin ice and in the process predict the non-linear response when exposed to a periodic driving field, or to a field quench using Wien effect theory. We use a straightforward extension of the lattice Coulomb gas simulations to refine our predictions. It is a highly unusual result to find an analytic theory for the non-equilibrium behaviour of a highly frustrated system beyond linear response

Cette thèse traite de composés magnétiques géométriquement frustrés, cristallisant dans la structure pyrochlore, c'est-à-dire un arrangement tri-dimensionnel de tétraèdres reliés entre eux par leurs sommets. Tout d'abord, on montre que le liquide de spins Tb2Ti2O pose un certain nombre de difficultés quant à sa fabrication, certaines propriétés physiques mesurées étant très dépendantes des conditions de croissance. Cependant, deux températures caractéristiques, indépendantes des échantillons, à 2 et 50 K, ont pu être mises en évidence par différentes techniques expérimentales, et ce, sur différents échantillons. Ensuite, l'étude de la dynamique de spins dans Tb2Sn2O7, une glace de spins ordonnée, suggère l'existence d'un mécanisme complexe, caractérisé par plusieurs temps de fluctuations, dont l'un est de l'ordre de 10^-10 s. Pour ces deux composés, il est montré, par des mesures microscopiques mais également macroscopiques, que les niveaux de champ cristallin de plus basse énergie sont deux singulets, séparés d'environ 2 K, et non un doublet comme généralement admis. Concernant l'étude du composé antiferromagnétique Er2Ti2O7 de symétrie XY, certaines mesures suggèrent une dynamique de spins à basse température, conséquence d'excitations. Enfin, l'analyse des résultats obtenus pour le composé antiferromagnétique Heisenberg Gd2Sn2O7 met en évidence des contradictions concernant l'existence ou non d'une dynamique de spins à basse température
This PhD thesis is about geometrically frustrated magnetic materials which crystallise in the pyrochlore structure, made of corner sharing regular tetrahedra. Firstly, we show that the growth of the spin liquid Tb2Ti2O7 presents many difficulties : some physical properties are sample dependent. Anyhow, two characteristic temperatures (2 and 50 K) are deduced by different experimental techniques, irrespective of the sample. Then, about the ordered spin ice Tb2Sn2O7, the study of spin dynamics suggests the existence of a complex relaxation mechanism, characterized by several fluctuation times. One of them is tau ≈ 10^{-10} s. Microscopic and macroscopic measurements carried out on these two compounds show that the lowest two crystal field level are singlets, and they are separated by an energy of about 2 K. About the XY antiferromagnet Er2Ti2O7, some results suggest the existence of exitations, responsible for low temperature spin dynamics. Finally, there inconsistencies between the interpretation of some experimental results about the existence of a low temperature spin dynamics in the Heisenberg antiferromagnet Gd2Sn2O7

Cette thèse traite de composés magnétiques géométriquement frustrés, cristallisant dans la structure pyrochlore, c'est-à-dire un arrangement tri-dimensionnel de tétraèdres reliés entre eux par leurs sommets. Tout d'abord, on montre que le liquide de spins Tb2Ti2O7 pose un certain nombre de difficultés quant à sa fabrication, certaines propriétés physiques mesurées étant très dépendantes des conditions de croissance. Cependant, deux températures caractéristiques, indépendantes des échantillons, à 2 et 50 K, ont pu être mises en évidence par différentes techniques expérimentales, et ce, sur différents échantillons. Ensuite, l'étude de la dynamique de spins dans Tb2Sn2O7, une glace de spins ordonnée, suggère l'existence d'un mécanisme complexe, caractérisé par plusieurs temps de fluctuations, dont l'un est de l'ordre de 10^{-10} s. Pour ces deux composés, il est montré, par des mesures microscopiques mais également macroscopiques, que les niveaux de champ cristallin de plus basse énergie sont deux singulets, séparés d'environ 2 K, et non un doublet comme généralement admis. Concernant l'étude du composé antiferromagnétique Er2Ti2O7 de symétrie XY, certaines mesures suggèrent une dynamique de spins à basse température, conséquence d'excitations. Enfin, l'analyse des résultats obtenus pour le composé antiferromagnétique Heisenberg Gd2Sn2O7 met en évidence des contradictions concernant l'existence ou non d'une dynamique de spins à basse température.

Les nano-oscillateurs à transfert de spin sont des composants radiofréquences magnétiques non-linéaires, nanométrique, de faible consommation en énergie et accordables en fréquence. Ce sont aussi potentiellement des candidats prometteurs pour l’élaboration de larges réseaux d’oscillateurs couplés. Ces derniers peuvent être utilisés dans les architectures neuromorphiques qui nécessitent des assemblées très denses d’unités de calcul complexes imitant les neurones biologiques et comportant des connexions ajustables entre elles. L’approche neuromorphique permet de pallier aux limitations des ordinateurs actuels et de diminuer leur consommation en énergie. En effet pour résoudre des tâches cognitives telles que la reconnaissance vocale, le cerveau fonctionne bien plus efficacement en terme d’énergie qu’un ordinateur classique. Au vu du grand nombre de neurone dans le cerveau (100 milliards) une puce neuro-inspirée requière des oscillateurs de très petite taille tels que les nano-oscillateurs à transfert de spin. Récemment, une première démonstration de calcul neuromorphique avec un unique nano-oscillateur à transfert de spin a été établie. Cependant, pour aller au-delà, il faut démontrer le calcul neuromorphique avec plusieurs nano-oscillateurs et pouvoir réaliser l’apprentissage. Une difficulté majeure dans l’apprentissage des réseaux de nano-oscillateurs est qu’il faut ajuster le couplage entre eux. Dans cette thèse, en exploitant l'accordabilité en fréquence des nano-oscillateurs magnétiques, nous avons démontré expérimentalement l'apprentissage des nano-oscillateurs couplés pour classifier des voyelles prononcées avec un taux de reconnaissance de 88%. Afin de réaliser cette tache de classification, nous nous sommes inspirés de la synchronisation des taux d’activation des neurones biologiques et nous avons exploité la synchronisation des nano-oscillateurs magnétiques à des stimuli micro-ondes extérieurs. Les taux de reconnaissances observés sont dus aux fortes accordabilités et couplage intermédiaire des nano-oscillateurs utilisés. Enfin, afin de réaliser des taches plus difficiles nécessitant de larges réseaux de neurones, nous avons démontré numériquement qu’un réseau d’une centaine de nano-oscillateurs magnétiques peut être conçu avec les contraintes standards de nano-fabrication
Spin-torque nano-oscillators are non-linear, nano-scale, low power consumption, tunable magnetic microwave oscillators which are promising candidates for building large networks of coupled oscillators. Those can be used as building blocks for neuromorphic hardware which requires high-density networks of neuron-like complex processing units coupled by tunable connections. The neuromorphic approach allows to overcome the limitation of nowadays computers and to reduce their energy consumption. Indeed, in order to perform cognitive tasks as voice recognition or image recognition, the brain is much more efficient in terms of energy consumption. Due to the large number of required neurons (100 billions), a neuromorphic chip requires very small oscillators such as spin-torque nano-oscillators to emulate neurons. Recently a first demonstration of neuromorphic computing with a single spin-torque nano-oscillator was established, allowing spoken digit recognition with state of the art performance. However, to realize more complex cognitive tasks, it is still necessary to demonstrate a very important property of neural networks: learning an iterative process through which a neural network can be trained using an initial fraction of the inputs and then adjusting internal parameters to improve its recognition or classification performance. One difficulty is that training networks of coupled nano-oscillators requires tuning the coupling between them. Here, through the high frequency tunability of spin-torque nano-oscillators, we demonstrate experimentally the learning ability of coupled nano-oscillators to classify spoken vowels with a recognition rate of 88%. To realize this classification task, we took inspiration from the synchronization of rhythmic activity of biological neurons and we leveraged the synchronization of spin-torque nano-oscillators to external microwave stimuli. The high experimental recognition rates stem from the weak-coupling regime and the high tunability of spin-torque nano-oscillators. Finally, in order to realize more difficult cognitive tasks requiring large neural networks, we show numerically that arrays of hundreds of spin-torque nano-oscillators can be designed with the constraints of standard nano-fabrication techniques

Une donnée peut avoir diverses formes et peut provenir d'un large panel d'applications. Habituellement, une donnée possède beaucoup de bruit et peut être soumise aux effets du hasard. Les récents progrès en apprentissage automatique ont relancé les recherches théoriques sur les limites des différentes méthodes probabilistes de traitement du signal. Dans cette thèse, nous nous intéressons aux questions suivantes : quelle est la meilleure performance possible atteignable ? Et comment peut-elle être atteinte, i.e., quelle est la stratégie algorithmique optimale ?La réponse dépend de la forme des données. Les sujets traités dans cette thèse peuvent tous être représentés par des modèles graphiques. Les propriétés des données déterminent la structure intrinsèque du modèle graphique correspondant. Les structures considérées ici sont soit éparses, soit denses. Les questions précédentes peuvent être étudiées dans un cadre probabiliste, qui permet d'apporter des réponses typiques. Un tel cadre est naturel en physique statistique et crée une analogie formelle avec la physique des systèmes désordonnés. En retour, cela permet l'utilisation d'outils spécifiques à ce domaine et de résoudre des problèmes de satisfaction de contraintes et d'inférence statistique. La problématique de performance optimale est directement reliée à la structure des extrema de la fonction d'énergie libre macroscopique, tandis que les aspects algorithmiques proviennent eux de la minimisation de la fonction d'énergie libre microscopique (c'est-à-dire, dans la forme de Bethe).Cette thèse est divisée en quatre parties. Premièrement, nous aborderons par une approche de physique statistique le problème de la coloration de graphes aléatoires et mettrons en évidence un certain nombre de caractéristiques. Dans un second temps, nous calculerons une nouvelle limite supérieure de la taille de l'ensemble contagieux. Troisièmement, nous calculerons le diagramme de phase du modèle de Dawid et Skene dans la région dense en modélisant le problème par une factorisation matricielle de petit rang. Enfin, nous calculerons l'erreur optimale de Bayes pour une classe restreinte de l'estimation matricielle de rang élevé
Datasets come in a variety of forms and from a broad range of different applications. Typically, the observed data is noisy or in some other way subject to randomness. The recent developments in machine learning have revived the need for exact theoretical limits of probabilistic methods that recover information from noisy data. In this thesis we are concerned with the following two questions: what is the asymptotically best achievable performance? And how can this performance be achieved, i.e., what is the optimal algorithmic strategy? The answer depends on the properties of the data. The problems in this thesis can all be represented as probabilistic graphical models. The generative process of the data determines the structure of the underlying graphical model. The structures considered here are either sparse random graphs or dense (fully connected) models. The above questions can be studied in a probabilistic framework, which leads to an average (or typical) case answer. Such a probabilistic formulation is natural to statistical physics and leads to a formal analogy with problems in disordered systems. In turn, this permits to harvest the methods developed in the study of disordered systems, to attack constraint satisfaction and statistical inference problems. The formal analogy can be exploited as follows. The optimal performance analysis is directly related to the structure of the extrema of the macroscopic free energy. The algorithmic aspects follow from the minimization of the microscopic free energy (that is, the Bethe free energy in this work) which is closely related to message passing algorithms. This thesis is divided into four contributions. First, a statistical physics investigation of the circular coloring problem is carried out that reveals several distinct features. Second, new rigorous upper bounds on the size of minimal contagious sets in random graphs, with bounded maximum degree, are obtained. Third, the phase diagram of the dense Dawid-Skene model is derived by mapping the problem onto low-rank matrix factorization. The associated approximate message passing algorithm is evaluated on real-world data. Finally, the Bayes optimal denoising mean square error is derived for a restricted class of extensive rank matrix estimation problems

Résumé : INTRODUCTION : L’étude vise à établir un portrait des traumatismes et de la pratique de l’escalade au Québec: 1) en décrivant les caractéristiques des décès associés à l’escalade au Québec; 2) en décrivant les caractéristiques des consultations à l’urgence associées à l’escalade; 3) en estimant la prévalence à vie et l’incidence des traumatismes en escalade, ainsi qu’en explorant les facteurs de risques ou de protection associés. MÉTHODES : 1) Une série de cas des décès en escalade a été analysée à partir d’une extraction des données des rapports d’investigation du coroner, entre 1986 et 2013. 2) Une série de cas des consultations à l’urgence a été analysée à partir des données du Système canadien hospitalier d'information et de recherche en prévention des traumatismes, entre 1992 et 2011. 3) Une étude descriptive transversale par questionnaire en ligne qui a été administré auprès des membres de la Fédération québécoise de la montagne et de l’escalade (FQME), entre le 8 avril 2014 et le 3 juin 2014. RÉSULTATS : 1) et 2) Les 14 décès et 29 cas de consultations à l’urgence retenus pour l’analyse sont survenus en majorité chez des hommes âgés entre 18 et 29 ans. La chute du grimpeur est la principale cause de décès ou de traumatismes aigus. 3) Avec une participation de 19 % (765/4 109), la prévalence à vie de traumatismes a été estimée à 11,1 % pour l’escalade sur structure artificielle, 11,3 % pour l’escalade de rocher et 7,6 % pour l’escalade de glace. Une approximation de l’incidence dans les derniers 12 mois a été estimée à 0,37 événement à l’origine de traumatismes aigus par 1 000 heures de pratique sur structure artificielle d’escalade (SAE), 0,17 pour l’escalade de rocher et 0,10 pour l’escalade de glace. Le jeune âge a été associé à la survenue de traumatismes aigus (p < 0,01) pour tous les types d’escalade et le faible nombre d’années de pratique, à la survenue de traumatisme en escalade de rocher (p = 0,03). Les itinéraires de niveaux de difficulté élevés (p = 0,01) ou une plus grande intensité de la pratique (p < 0,01) ont été associés à la survenue de traumatismes sur SAE. CONCLUSION : L’escalade est une activité physique sécuritaire avec des prévalences et des incidences de traumatismes très faibles. Les résultats permettront d’orienter les interventions pour améliorer la sécurité en escalade.
Abstract : INTRODUCTION: This study aims to produce a portrait of injuries associated with rock climbing in Quebec by: 1) describing the characteristics of deaths associated with climbing in Quebec; 2) describing the characteristics of emergency room visits associated with climbing; 3) estimating the lifetime prevalence and the incidence rate for climbing injuries, and by exploring the associated risk or protective factors. METHODS: 1) A case series of climbing related deaths was analysed by extracting data from coroners’ investigation reports, between 1986 and 2013. 2) A case series of emergency room consultations was analysed from data provided by the Canadian Hospitals Injury Reporting and Prevention Program, between 1992 and 2011. 3) A cross-sectional descriptive study using a self-administered online survey sent to members of the Fédération québécoise de la montagne et de l’escalade (FQME), from April 8th, 2014 to June 3rd, 2014. RESULTS: 1) and 2) Of the 14 deaths and 29 cases of emergency room visits selected and analysed, the majority were men aged between 18 and 29 years. Climber falls were the leading cause of death or acute injury. 3) With a participation rate of 19 % (765/4,109), the lifetime prevalence for trauma was estimated at 11.1% on artificial climbing structures, 11.3% for rock climbing, and 7.6% for ice climbing. An approximation of the incidence in the last 12-months was estimated at 0.37 events causing injuries per 1,000 hours on artificial climbing structures (ACS), 0.17 for rock climbing and 0.10 for ice climbing. Younger age was associated with the occurrence of acute injuries (p < .01) for all types of climbing and the small number of climbing practice years with the occurrence of acute injuries during rock climbing (p = .03). Routes of higher climbing difficulty (p = .01) or a greater intensity of climbing practice (p < .01) and the occurrence of acute injuries on ACS. CONCLUSION: Climbing is a safe physical activity, with very low prevalence and incidence of acute injury. Results will help interventions in order to improve climbing safety.

Les jonctions tunnel magnétiques sont des candidats prometteurs for le calcul. Mais quand elles sont réduites à des dimensions nanométriques, conserver leur stabilité devient difficile. Les jonctions tunnel magnétiques instables subissent des renversements aléatoires de leur aimantation et se comportent comme des oscillateurs stochastiques. Pourtant, la nature stochastique de ces jonctions tunnel superparamagnétiques n’est pas une faille mais un atout qui peut être utilisé pour le calcul bio-inspiré. En effet, notre cerveau a évolué de sorte qu’il puisse fonctionner dans un environnement bruité et avec des composants instables. Dans cette thèse, nous montrons plusieurs applications possibles des jonctions tunnel superparamagnétiques.Nous démontrons qu’une junction tunnel superparamagnétique peut être synchronisée en fréquence et en phase à une faible tension oscillante. De manière contre intuitive, notre expérience montre que cela peut être fait grâce à l’injection de bruit dans le système. Nous développons un modèle théorique pour comprendre ce phénomène et prédire qu’il permet un gain énergétique d’un facteur cent par rapport à la synchronisation d’oscillateurs à transfert de spin traditionnels. De plus, nous utilisons notre modèle pour étudier la synchronisation de plusieurs jonctions couplées. De nombreuses méthodes théoriques réalisant des tâches cognitives telles que la reconnaissance de motifs et la classification grâce à la synchronisation d’oscillateurs ont été proposés. Utiliser la synchronisation induite par le bruit de jonctions tunnel superparamagnétiques permettrait de réaliser ces tâches à basse énergie.Nous faisons une analogie entre les jonctions tunnel superparamagnétiques et les neurones sensoriels qui émettent des pics de tension séparés par des intervalles aléatoires. En poursuivant cette analogie, nous démontrons que des populations de jonctions tunnel superparamagnétiques peuvent représenter des distributions de probabilité et réaliser de l’inférence Bayésienne. De plus, nous démontrons que des populations interconnectées peuvent faire du calcul, notamment de l’apprentissage, des transformations de coordonnées et de la fusion sensorielles. Un tel système est faisable de manière réaliste et pourrait permettre de fabriquer des capteurs intelligents à bas coût énergétique
Magnetic tunnel junctions are promising candidates for computing applications. But when they are reduced to nanoscale dimensions, maintaining their stability becomes an issue. Unstable magnetic tunnel junctions undergo random switches of the magnetization between their two stable states and thus behave as stochastic oscillators. However, the stochastic nature of these superparamagnetic tunnel junctions is not a liability but an asset which can be used for the implementation of bio-inspired computing schemes. Indeed, our brain has evolved to function in a noisy environment and with unstable components. In this thesis, we show several possible applications of superparamagnetic tunnel junctions.We demonstrate how a superparamagnetic tunnel junction can be frequency and phase-locked to a weak oscillating voltage. Counterintuitively, our experiment shows that this is achieved by injecting noise in the system. We develop a theoretical model to understand this phenomenon and predict that it allows a hundred-fold energy gain over the synchronization of traditional dc-driven spin torque oscillators. Furthermore, we leverage our model to study the synchronization of several coupled junctions. Many theoretical schemes using the synchronization of oscillators to perform cognitive tasks such as pattern recognition and classification have been proposed. Using the noise-induced synchronization of superparamagnetic tunnel junctions would allow implementing these tasks at low energy.We draw an analogy between superparamagnetic tunnel junctions and sensory neurons which fire voltage pulses with random time intervals. Pushing this analogy, we demonstrate that populations of junctions can represent probability distributions and perform Bayesian inference. Furthermore, we demonstrate that interconnected populations can perform computing tasks such as learning, coordinate transformations and sensory fusion. Such a system is realistically implementable and could allow for intelligent sensory processing at low energy cost

Au hockey sur glace, les évaluations physiques utilisées jusqu’à présent sont peu spécifiques à la tâche des joueurs et elles comprennent plusieurs limitations pour la prédiction de performance. La capacité d’accélération et de vitesse maximale en patinage sont grandement liées à la performance des joueurs et seulement certaines évaluations physiques hors glace ont montré des associations avec ces variables. Peu d’études ont considéré l’implication musculaire spécifique de la hanche qui est particulièrement sollicitée pendant le cycle de patinage. La science des données et l’utilisation d’outils d’apprentissage automatique ont connu un essor ces dernières années dans le milieu sportif. Elles ont montré de bonnes capacités prédictives et permettent de reconnaître des relations complexes et non linéaires entre les variables, pouvant surpasser les modèles statistiques standards et l’intuition humaine. Notre objectif principal est de prédire la performance en patinage chez les joueurs de hockey sur glace avec des évaluations physiques hors glace au moyen de modèles d’apprentissage automatique. Nous avons utilisé les données d’évaluations physiques de 72 athlètes effectuées lors des évaluations combinées de la Ligue de Hockey Junior Majeur du Québec. Nous avons utilisé l’accélération et la vitesse de patinage avant et arrière comme variables cibles. Les évaluations physiques standards effectuées lors de cette journée ainsi que la force isométrique maximale développée à l’articulation de la hanche pour ses six degrés-de-liberté ont été les variables d’entrées pour un modèle linéaire (LassoCV) et un modèle non linéaire (xgboost). Nos modèles d’apprentissage automatique montrent de bonnes prédictions pour les variables de vitesse avant en montrant une erreur absolue moyenne en pourcentage (MAPE) inférieur à 2,96±2,15%, tandis que les erreurs de prédiction pour les variables d’accélération et de vitesse arrière demeurent élevées (MAPE : > 4,46±4,15%). Le saut en longueur et la force isométrique en flexion de la hanche ont montré le plus d’importance pour l’accélération sur 5 mètres (5F et 5B) et la vitesse sur 30 mètres en patinage dans les deux directions (30F et 30B). Suite à une validation des modèles, les entraîneurs pourraient donc utiliser les résultats obtenus aux évaluations physiques pour développer la performance en vitesse maximale avant des joueurs de hockey sur glace.
In ice hockey, the physical assessments used to date are not very specific to the task of ice hockey players and may have several limitations for predicting performance. Acceleration ability and maximum speed are highly related to player performance and only some off-ice physical assessments showed associations with these variables. Few studies have considered involvement of specific hip muscles, which are particularly solicited during the skating cycle. The data science and the use of machine learning tools have grown in recent years in the sports community. It has shown to improve prediction and has the ability to recognize complex and non-linear relationships between variables, and thus, can outperform standard statistical models and human intuition. Our main objective is the prediction of skating performance of ice hockey players with physical assessments and the use of machine learning models. We used data from physical assessment of 72 athletes who attended at the combine of the Quebec Major Junior Hockey League. We used acceleration and speed in forward and backward direction as target variables. The standard physical assessment performed on that day and isometric hip joint strength developed on its six degrees of freedom were input variables for a linear (LassoCV) and a non-linear (xgboost) model. Our machine learning models show good prediction errors by showing a mean absolute percentage error (MAPE) of less than 2.96±2.15% for the forward speed variables, while the prediction errors for acceleration and backward speed variables remain high (MAPE: > 4.46±4.15%). The broad jump and the isometric strength developed in hip flexion showed the most importance for acceleration over 5 meters (5F and 5B) and sprint over 30 meters (30F and 30B) in both skating directions. After validation of the models, coaches could use the results of these physical assessments to develop maximum forward speed performance of ice hockey players.