Tesi sul tema "Photons – Localisation"

Ce travail porte sur le developpement des moyens techniques et dosimetriques necessaires a la mise en application de la radiotherapie stereotaxique, par convergence de petits faisceaux de photons (diametre compris entre 10 et 40 mm) de haute energie (6-25 mv), produits par un accelerateur lineaire. Ces irradiations sont employees pour le traitement de petits volumes cibles intracraniens (tumeurs, malformations arterioveineuses. . . ). Les aspects dosimetriques, mecaniques et informatiques ont ete analyses. Les caracteristiques dosimetriques specifiques des petits faisceaux de photons de haute energie sont liees au manque d'equilibre electronique. Le maximum des courbes de rendement en profondeur s'approche de la surface et le debit diminue de facon abrupte lorsque le diametre du faisceau diminue. Les profils des faisceaux ont des gradients eleves, par ex. Jusqu'a 30%/mm pour un faisceau de 10 mm de diametre a 23 mv. Les mesures ont ete faites par chambres d'ionisation, films, thermoluminescence et diodes; elles ont ete validees par calcul informatique en superposant des matrices de dispersion de dose generee par la methode de monte carlo. Les chambres et les films ont ete retenus pour la dosimetrie des faisceaux pour l'application clinique. L'utilisation des chambres d'ionisation cylindriques en les irradiant parallelement a leur axe principal a ete analysee. Un systeme additionnel de collimation et un reglage micrometrique de l'isocentrisme du systeme stereotaxique ont ete developpes. Un ensemble de logiciels a ete developpe pour la simulation des informations anatomiques, les calculs de distribution de dose dans des plans arbitraires et des histogrammes dose-volume. Ils ont ete utilises pour analyser l'incidence des parametres geometriques et physiques sur la distribution finale de dose, ainsi que pour les applications cliniques, qui ont debute en janvier 1990

La tomographie optique diffuse (DOT) se caractérise par l’utilisation de la lumière dans un régime de propagation diffusif pour sonder les tissus biologiques. L’utilisation de marqueurs fluorescents permet de cibler des processus biologiques précis (tomographie optique diffuse en fluorescence - FDOT) et d’améliorer le contraste dans les images obtenues. Les applications typiques de la DOT/FDOT sont la mammographie laser, l’imagerie cérébrale de nouveau-nés et les investigations non-invasives sur petits animaux, notamment pour l’imagerie moléculaire. Le présent projet fait partie du programme de recherche TomOptUS dirigé par le professeur Yves Bérubé-Lauzière. Un scanner optique pour petits animaux y est en cours de développement. Ce scanner possède la particularité de fonctionner avec une prise de mesures sans contact dans le domaine temporel. La première partie du projet a pour point de départ l’algorithme développé en FDOT par Vincent Robichaud qui permet la localisation spatiale d’une seule inclusion fluorescente ponctuelle immergée dans un milieu diffusant homogène ayant une géométrie cylindrique. Une nouvelle approche de localisation pour une pluralité d’inclusions discrètes est ici introduite. Cette dernière exploite l’information contenue dans le temps de vol des premiers photons provenant d’une émission de fluorescence. Chaque mesure permet de définir un lieu géométrique où une inclusion peut se trouver : ces lieux prennent la forme d’ovales en 2D ou d’ovoïdes en 3D. À partir de ces lieux, une carte de probabilité de présence des inclusions est construite : les maxima de la carte correspondent à la position des inclusions. Cette approche géométrique est soutenue par des simulations Monte Carlo en fluorescence dans des milieux reproduisant les propriétés optiques des tissus biologiques. Plusieurs expériences sont ensuite effectuées sur une mire optique homogène répliquant les propriétés optiques des tissus dans lequel des inclusions remplies de vert d’indocyanine (ICG) sont placées. L’approche permet la localisation avec une erreur positionnelle de l’ordre du millimètre. Les résultats démontrent que l’approche est précise, rapide et efficace pour localisation des inclusions fluorescentes dans un milieu hautement diffusant mimant les tissus biologiques. Des simulations Monte Carlo sur un modèle réaliste de souris montrent la faisabilité de la technique pour l’imagerie sur petits animaux. Le second volet de la thèse s’intéresse aux mesures intrinsèques par le développement d’une approche de reconstruction d’une carte des vitesses de propagation des ondes lumineuses diffuses dans un milieu diffusant hétérogène. De telles vitesses constituent un nouveau contraste pour de l’imagerie DOT. La méthode utilise une configuration en faisceaux lumineux analogue aux méthodes utilisées en tomographie par rayons X. Ici, toutefois, les temps d’arrivée des premiers photons sont utilisés plutôt que l’amplitude du signal. Des résultats sont présentés en 2D pour différentes configurations d’inclusions démontrant la validité de l’approche. Des simulations Monte Carlo sont utilisées pour simuler la propagation intrinsèque dans des milieux hétérogènes et pour venir appuyer la démarche.

Ce manuscrit présente mon travail de thèse portant sur le détecteur de photons uniques electron-bombarded CMOS (ebCMOS) à haute cadence de lecture (500 images/seconde). La première partie compare trois détecteurs ultra-sensibles et et leurs méthodes d'amélioration de la sensibilité au photon : le CMOS bas bruit (sCMOS), l'electron-multiplying CCD (emCCD) à multiplication du signal par pixel et l'ebCMOS à amplification par application d'un champ électrique. La méthode de mesure de l'impact intra-pixel des photons sur le détecteur ebCMOS est présentée. La seconde partie compare la précision de localisation de ces trois détecteurs dans des conditions extrêmes de très bas flux de photons (<10 photons/image). La limite théorique est tout d'abord calculée à l'aide de la limite inférieure de Cramér-Rao pour des jeux de paramètres significatifs. Une comparaison expérimentale des trois détecteurs est ensuite décrite. Le montage permet la création d'un ou plusieurs points sources contrôlés en position, nombre de photons et bruit de fond. Les résultats obtenus permettent une comparaison de l'efficacité, de la pureté et de la précision de localisation des sources. La dernière partie décrit deux expériences réalisées avec la caméra ebCMOS. La première consiste au suivi de nano-cristaux libres (D>10 μm²/s ) au centre Nanoptec avec l'équipe de Christophe Dujardin. La seconde s'intéresse à la nage de bactéries en surface à l'institut Joliot Curie avec l'équipe de Laurence Lemelle. L'algorithme de suivi de sources ponctuelles au photon unique avec l'implémentation d'un filtre de Kalman est aussi décrit.

Les progrès dans la miniaturisation des transistors permettent de réaliser des circuits toujours plus performants. En contrepartie, dans le cas où il y a défaillance, l'analyse de ces circuits est plus délicate. L'étape de localisation du défaut est la plus critique de ce processus. En effet, il s'agit de rechercher des éléments de plusieurs dizaines de nanomètres sur une surface de plusieurs centimètres carrés.Les techniques optiques telles que l'émission de lumière dynamique (TRI) sont particulièrement pertinentes dans ce contexte. Celle-ci est basée sur l'acquisition et l'exploitation des photons émis par une structure CMOS lorsqu'il y a commutation. De par son principe physique, cet outil possède donc un effet invasif limité et est adaptée à l'analyse de défauts qui se manifestent lors d'une stimulation dynamique du composant. La complexité des circuits de technologies avancées a mis en évidence certains verrous physiques et technologiques qui peuvent compromettre les analyses réalisées à l'aide de cet outil. Ainsi, le faible rapport signal sur bruit, une résolution spatiale non nécessairement adaptée aux éléments étudiés et l’énorme quantité de données/signaux générés sont autant d'éléments qui contre-indiquent une approche d'analyse des acquisitions purement manuelle.Ces travaux de thèse ont pour objectif d’explorer les possibilités offertes par un traitement post-acquisition des observations, dans le but de résoudre ou contourner les problématiques susmentionnées. Cela permettra alors à l’expert de formuler un diagnostic plus précis. En définitive, il s'agit d’une extraction et d’une synthèse d’informations à partir de signaux de tailles importantes et fortement bruités. Dans cette optique, deux approches principales originales ont été développées. La première vise à établir la cartographie d’un paramètre électrique variant dans le temps et dans l'espace. En conséquence, elle fait appelle aux outils de traitements signaux de dimension 2D et 1D. La seconde approche est fondée sur l'utilisation d'outils de statistiques exploratoires. Plus précisément, il s’agit de la combinaison d’outils de classification non-supervisée et d’une étude statistique des classes résultantes dans l’optique d’une recherche d’évènements de commutation aux propriétés anormales (suggérant un lien du nœud considéré avec le défaut) ou d’émission manquante ou additionnelle (qui résultent d'une différence de comportement logique entre deux composants). Ces deux approches s'avèrent complémentaires puisque ce sont deux regards différents d’un même jeu d'observations et chacune apporte de nouvelles informations à l’expert
Scaling progresses has the benefit of making chips always more powerful. On the other hand, when there is a failure, the analysis of such advanced devices has became more sensitive. The defect localization step of this process is the critical one. Indeed, the aim is to find transistors which dimensions range in several nanometers on a device which surface is several square centimeters.Optical techniques like dynamical photon emission, also named Time Resolved Imaging (TRI), have proved to fit in such context. The later is based on the acquisition and exploitation of photons emitted by a switching CMOS structure. Due to its physical bacground, this tool has a limited invasive effect and can be used to analyze defect generating faults during a dynamical stimulation of the device. The complexity of the chips manufactured in advanced technologies has brought out some physical and technical limitations which can jeopardize analysis performed with this tool. To be more specific, signal over noise ratio can be quite low, so as the spatial resolution compared to the studied structures. In addition, complex circuits require long test sequences, generating huge quantities of photons to analyse. As a conclusion, all of these phenomenon forbid a simple manual procedure if ones expect to extract the emission signature of the defect in such data.The work reported in this thesis aims to develop new approaches of processing at the post-acquisition level, in order to solve or workaround the various aforementioned issues. It will enable the analyst to formulate an even better and more precise diagnosis.The task consists in extracting and synthesizing the information available in large amount of noisy signals. With that superpose in mind, two main approaches have been studied and developed. The first one establish a mapping of one parameter the electrical signals varying through time and space inside the acquisition area. It is based on a mixture of signal processing tools for 2D 1D signals. The second approaches uses data mining. More precisely, it combines clustering to statistical analyses of the resulting classes in order to find an emission event which is unexpected or having unusual properties, suggesting a candidate for failure. These two processes are complementary as they bring different information to the analyst

Dans un milieu désordonné, une onde peut être localisée exponentiellement par des effets d'interférence. Ce phénomène de localisation d'Anderson conduit notamment à une annulation de la conductance d'un fluide quantique unidimensionnel. Des travaux théoriques ont cependant montré que l'application d'un champ électrique pouvait réduire, voire supprimer, cette localisation. Nous étudions ici l'effet d'une force sur la localisation d'une onde quantique de matière dans un système unidimensionnel. En lien direct avec les expériences d'atomes ultrafroids, qui permettent d'observer la localisation d'Anderson d'un paquet d'onde en étalement, ou bien l'effet du désordre sur le transport entre deux réservoirs, nous nous intéressons à deux systèmes : la diffusion et la transmission d'une particule. Afin d'étudier la transmission à travers un guide, nous étendons un formalisme de matrices de transfert à la présence d'une force, éventuellement inhomogène. Deux approches analytiques complémentaires nous permettent d'étendre les résultats au cas d'un désordre de tavelures tel que celui utilisé dans les expériences d'atomes ultrafroids. Nous montrons que la force peut être entièrement prise en compte à l'aide d'une renormalisation de la longueur du guide par un libre parcours moyen local de la particule. Pour un désordre blanc, la force conduit alors une localisation plus faible, algébrique, tandis qu'une délocalisation apparaît pour un désordre corrélé. Nous nous intéressons ensuite à la diffusion d'une particule, à l'aide d'une approche numérique. Nous mettons en évidence une délocalisation de la position à grande force sous la forme d'une croissance temporelle algébrique, dont l'exposant augmente avec la force. Nous montrons de plus que la localisation est systématiquement détruite dans un désordre corrélé
A wave can be exponentially localized in a disordered medium, due to interference effects. This Anderson localization phenomenon leads to a cancellation of the conductance of a quantum fluid in 1D. However, theoretical works pointed out that an electric field may reduce or cancel this localization. We study here the effect of a force on the localization of a 1D quantum matter wave. Since both Anderson localization of an expanding wave packet and the effect of disorder on the transport between two reservoirs have been studied in ultracold atom experiments, we focus on two systems, namely the diffusion, or the transmission, of a particle.In order to calculate the transmission, we generalize a transfer matrix formalism to the presence of a, possibly inhomogeneous, force. The case of a speckle disorder as used in ultracold atom experiments is dealt with using two other analytical approaches. Our main is result is that the force can be entirely taken into account by renormalising the length with a local mean free path of the particle. For white-noise disorder, the force leads to a weaker, algebraic localization, whereas full delocalization appears for a correlated disorder. We then focus on the diffusion of a particle, using a numerical approach. A transition of delocalization of the particle for strong forces is shed into light through a power law increase of its position, whose exponent increases with the force. Moreover, we show that localization is systematically destroyed in a correlated disorder

La simulation des Hamiltoniens de réseaux dans les plateformes photoniques a permis de mieux comprendre les nouvelles propriétés de transport et de localisation dans le contexte de la physique de l'état solide. En particulier, les exciton-polaritons constituent un système polyvalent permettant d'étudier ces propriétés dans des réseaux avec des structures de bande intrigantes en présence de pertes et de gains, et d'interactions entre particules. Les polaritons sont des quasi-particules hybrides lumière-matière résultant du couplage fort entre les photons et les excitons dans les microcavités semi-conductrices, dont les propriétés peuvent être directement accessibles dans les expériences de photoluminescence. Dans cette thèse, nous étudions premièrement les caractéristiques des réseaux en nid d'abeille déformés, composés de résonateurs de polaritons couplés, à haut contenu photonique. Dans un réseau déformé de façon critique, nous mettons en évidence à la fois un transport semi-Dirac et une localisation anisotrope des photons. Deuxièmement, nous montrons qu'un forçage judicieux dans des réseaux de résonateurs à pertes permet l'apparition de nouveaux modes localisés. En utilisant des réseaux de polaritons sous un forçage résonant par plusieurs faisceaux optiques, nous démontrons la possibilité de localiser la lumière sur différentes géométries, voir jusqu'à un seul site. Enfin, nous profitons de l'interaction de polaritons dépendant de la polarisation pour démontrer un effet optique de type Zeeman dans un seul micropilier. En combinant le couplage spin-orbite optique, inhérent aux microstructures semi-conductrices, avec l'effet Zeeman, induit par l'interaction, nous montrons l'émission de faisceaux de vortex avec une chiralité bien définie. Cette thèse met en lumière la puissance des plateformes de polaritons pour étudier les Hamiltoniens de réseaux avec des propriétés sans précédent. Elle apporte également un premier pas vers la génération, entièrement optique, de phases topologiques dans les réseaux
The simulation of lattice Hamiltonians in photonic platforms has been enlightening in the understanding of novel transport and localization properties in the context of solid-state physics. In particular, exciton-polaritons provide a versatile system to investigate these properties in lattices with intriguing band structures in the presence of gain and loss, and particle interactions. Polaritons are hybrid light-matter quasiparticles arising from the strong coupling between photons and excitons in semiconductor microcavities, whose properties can be directly accessed in photoluminescence experiments. In this thesis, we firstly study the features of strained honeycomb lattices made of coupled polariton resonators having high photonic content. In a critically strained lattice, we evidence both a semi-Dirac transport and an anisotropic localization of photons. Secondly, we show that a judicious driving in lattices of lossy resonators allows the appearance of novel localized modes. Using polariton lattices driven resonantly with several optical beams, we demonstrate the localization of light in at-will geometries down to a single site. Finally, we take advantage of the polarization-dependent polariton interaction to demonstrate an optical Zeeman-like effect in a single micropillar. In combination with optical spin-orbit coupling inherent to semiconductor microstructures, the interaction-induced Zeeman effect results in emission of vortex beams with a well-defined chirality. This thesis brings to light the power of polariton platforms to study lattice Hamiltonians with unprecedented properties and it also provides a first step towards the fully-optical generation of topological phases in lattices

Le sujet de cette ihèse s'inscrit dans le cadre du projet international Antares dont l'objectif est la construction d'un télescope à neutrînos situé dans un environnement marin au large de Toulon, A de fortes profondeurs, un neutrino a d'autant plus de chance de rentrer en collision avec une molécule d'eau, générant ainsi une réaction en chaîne générant un flash lumineux et une onde sonore. L'objectif de cette thèse est d'étudier cette onde sonore en vue de développer un système capable de détecter le front d'onde correspondant et d'estimer la direction originelle du neutrino. Dans un premier temps, l'étude se porte sur le signal acoustique. Deux descriptions issues de la littérature et de récents travaux effectués au CPPM sont confrontées et aboutissent à une modélisation mathématique du signal et du front d'onde.
Dans un second temps, plusieurs méthodes de détection sont étudiées, de la plus classique (étude du rapport de vraisemblance} à des méthodes plus récente (filtrage adapté, classification, etc.). La comparaison expérimentale en situation semi-réelle de celles-ci aboutit au choix de la méthode de détection suivante : le FASE (Filtrage Adapté Stochastique Etendu). Enfin, la position et la direction du neutrino sont estimés par un algorithme dérivé de Gauss-Newton, Cet estimateur se base sur la modélisation du déplacement du front d'onde acoustique et sur les informations temporelles de détection fournies par les hydrophones du télescope. De nombreuses configurations sont testées et les performances du système sont évaluées. Une structure d'hydrophone est proposée et une simulation dite « globale » finalisent cette thèse. Dans celle-ci, les étapes de détection et d'estimation sont basées sur les résultats obtenus précédemment. Les bruits de mer sont des bruits réels issus de campagnes de mesure et les résultats obtenus valident les travaux de cette thèse.

Les propriétés optiques de nanotubes de carbone sont décrites idéalement parla physique d’un objet unidimensionnel, donnant lieu notamment à l’apparition des excitons pour décrire les transitions optiques de ces objets. Les expériences d’optique(émission, absorption) réalisées sur ces objets à température ambiante et sur des ensemble d’objets ont permis de confirmer les prédictions théoriques basées sur la physique des objets 1D. Mais à température cryogénique et à l’échelle de l’objet unique,les propriétés optiques observées expérimentalement sont systématiquement très éloignées de celles d’un objet 1D. On peut notamment citer l’apparition de propriétés comme l’émission de photons uniques, qui a largement contribué à l’intensification de la recherche sur ces objets pour des applications en photonique quantique. Ces propriétés sont attribuées à la localisation des excitons le long de l’axe des nanotubes dans des puits de potentiel créés aléatoirement par l’interaction des nanotubes avec leur environnement. Les propriétés optiques sont alors proches de celles des objets0D, et sont fortement modulées par l’environnement. Les mécanismes et l’origine de la localisation et la connaissance physique de ces puits sont encore très limités. Ce travail montre d’une part le développement d’une technique d’absorption sur objet individuel et la caractérisation de sa sensibilité, et d’autre part l’étude statistique de l’émission de nanotubes à température cryogénique. Les résultats obtenus par une technique de super-résolution couplée à une imagerie hyper-spectrale montrent les grandeurs caractéristiques des puits de potentiels au sein de nanotubes individuels.Un dispositif expérimental de photoluminescence résolue en excitation implémenté au cours de ce travail a également montré une modification de l’état excitonique fondamental par l’environnement, avec l’apparition d’une discrétisation spatiale et spectrale de l’état fondamental délocalisé en une multitude d’états localisés
The optical properties of carbon nanotubes are ideally described by the physicsof a one-dimensional object, giving rise in particular to the emergence of excitons todescribe the optical transitions of these objects. The optical experiments (emission,absorption) carried out on these objects at ambient temperature and on ensemblesconfirm the theoretical predictions based on the physics of 1D objects. But atcryogenic temperature and at the single emitter scale, the optical properties observedexperimentally are systematically different from those of a 1D object. One can citethe emergence of properties such as photon antibunching, which largely contributed tothe intensification of research on these objects for applications in quantum photonics.These properties are attributed to the localization of excitons along the nanotube axisin local potential wells (traps) created randomly by the interaction of nanotubes withtheir environment. The optical properties are then close to those of 0D objects, andare strongly modulated by the environment. The mechanisms and the origin of thelocalization and the physical knowledge of these traps are still very limited. This workshows on the one hand the development of an absorption setup on individual objectand the characterization of its sensitivity, and on the other hand the statistical studyof the emission of nanotubes at cryogenic temperature in a micro-photoluminescencesetup. The results obtained in the later setup by a super-resolution technique coupledwith hyper-spectral imaging show the characteristic quantities of potential wellswithin individual nanotubes. An experimental excitation-resolved photoluminescencesetup implemented during this work also showed a modification of the fundamentalexcitonic state by the environment, with the emergence of a spatial and spectraldiscretization of the delocalized ground state in a multitude of localized states

Dans cette thèse, nous avons étudié l'impact considérable de désordre aléatoire sur le transport de la lumière lente dans les guides à cristaux photoniques 1D, c'est-à-dire la localisation de la lumière. Les mesures en champ proche, les simulations statistiques et le modèle théorique révèlent l'existence d'une limite inférieure de l’extension spatiale des modes localisés. Nous avons également présenté que le niveau de désordre et l’extension spatiale de mode localisé individuelle sont liés par la masse effective de photons plutôt que la vitesse de groupe considérant en général.Deuxièmement, les systèmes hybrides d'atomes froids et des guides à cristaux photoniques ont été reconnus comme un approche prometteuse pour l'ingénierie grande interaction lumière-matière au niveau des atomes et des photons individuels. Dans cette thèse, nous avons étudié la physique, à savoir le transport de la lumière dans des guides de nanophotonique périodiques couplées à des atomes à deux niveaux. Notre expression semi-analytique développée est générale et peut rapidement caractériser le couplage entre les atomes froids et les photons guidées. Pour surmonter les difficultés techniques considérables existent dans les systèmes hybrides atomique et photonique, nous avons conçu un guide nanophotonique qui supporte un mode de Bloch lente guidée avec grande queue évanescente dans l'espace libre pour les atomes froids de piégeage. Pour adapter précisément la région de fréquence de la lumière lente du mode guidé à la ligne de transition atomique, nous avons conçu la bande photonique et de la courbe de dispersion du mode guidé afin que la force de l'interaction est robuste contre imprévisible fabrication imperfection
In this thesis, we firstly investigated the striking influence of random disorder on light transport near band edges in one dimensional photonic crystal wave guides, i.e. light localization. Near-field measurements, statistical simulations and theoretical model revealed the existence of a lower bound for the spatial extent of localized modes. We also showed that the disorder level and the spatial extent of individual localized mode is linked by the photon effective mass rather than the generally considered group velocity. Secondly, hybrid cold atoms and photonic crystal wave guides system have been recognized as a promising paradigm for engineering large light-matter interaction at single atoms and photons level. In this thesis, we studied the basic physics, i.e. light transport in periodic nanophotonic wave guides coupled to two-level atoms. Our developed general semi-analytical expression can quickly characterize the coupling between cold atoms and guided photons. Aim to overcome the significant technical challenges existed for developing hybrid atom-photonic systems, we designed a nanophotonic waveguide, which supports a slow guided Bloch mode with large evanescent tail in free space for cold atoms trapping (release the limitation imposed by Casmir Polder force and technical challenge of nanoscale manipulation of cold atoms). To match precisely the slow light region of the guided mode to the atomic transition line, we carefully engineered the photonic band and the dispersion curve (i.e.flatness) of the guided mode so that the interaction strength is robust against unpredictable fabrication imperfection

Dans les photorécepteurs, la phosphodiestérase 6 (PDE6) est régulée par le transfert de sa sous-unité régulatrice (P). Des études récentes indiquent que P peut interagir avec des domaines SH3. Nous avons donc recherché les protéines contenant des domaines SH3 capables d'interagir avec P dans les photorécepteurs de rat. Une étude en double-hybride et GST " Pull-Down " nous a permis d'identifier cinq partenaires potentiels de P : deux protéines impliquées dans l'endocytose (l'amphiphysine et la PACSINE) et trois protéines impliquées dans la signalisation des récepteurs tyrosine kinases (Src, Grb2 et la P85-PI3K). Trois de ces protéines (l'amphiphysine, la PACSINE et la P85-PI3K) sont clairement exprimées dans les photorécepteurs. Cependant, seule la PACSINE s'est montrée capable d'interagir in vivo avec Pau niveau des segments internes et des pédicules synaptiques des photorécepteurs, cette localisation est régulée par la lumière. Une étude portant sur le développement de la rétine de rat, nous a permis de détecter une expression de P dans les pédicules basaux des photorécepteurs sur des rats nouveaux nés (P0 à P5). Pour rechercher les possibles rôles de P dans la mise en place des synapses et la différenciation du photorécepteur, nous avons examiné les rétines de souris Prod -/-. Les observations en microscopie électronique révèlent une diminution de triades de bâtonnets correctement formées dans la plexiforme externe des souris P rod -/-. L'ensemble de ces résultats suggèrent que l'interaction P -PACSINE peut être impliquée dans l'endocytose au niveau des rubans synaptiques et que P est nécessaire à la différenciation des synapses des bâtonnet
In photoreceptors, phosphodiesterase 6 (PDE6) is regulated, due to the shuttling of its regulatory subunit (P). Recent studies have indicated that P can interact with SH3 domains and that it can alter MAPK signalling. Therefore, we sought to identify SH3-containing proteins that might interact with P in rat photoreceptors. A yeast two-hybrid and GST “Pull-Down” assay allowed us to identify two proteins involved in endocytosis (amphiphysin and PACSIN) and three proteins involved in receptor tyrosine kinase signalling (Src, GRB2 and P85-PI3K), as putative partners of P. Three of these proteins (amphiphysin, PACSIN and P85-PI3K) were clearly expressed in photoreceptors. However, only PACSIN was found to interact in vivo with P in inner segments and synaptic pedicles of photoreceptors and that P concentration in synaptic pedicles increases in response to light. A developmental study allowed us to detect P expression in the retina of newborn rats (P0). At the early stages of retinogenesis (P0 to P5), P immunodetection was confined to basal pedicles of photoreceptors. A result suggesting that P might play a role in the establishment of photoreceptor synapses. To investigate the possible roles of P in photoreceptor differentiation, retinas of P rod -/- mice were examined. Electron microscopic observations revealed a deficit of well-defined rod triads in the outer plexiform layer of P rod-/- mice. Together, the data suggest that P-pacsin interaction may contribute to specific characteristics of the endocytic mechanism at the ribbon synapse of photoreceptors and that P is required for optimal differentiation of rod synapses

L'augmentation de l'interaction lumière-matière aux échelles micro et nanométriques est un des fers de lance de la nanophotonique. En effet, le contrôle de la répartition spatiale de la lumière grâce à l'interaction résonante entre nanostructures et ondes électromagnétiques a conduit aux développements de nombreuses applications dans des domaines variés tels que les télécommunications,la spectroscopie et la détection d'objets. Le ralentissement de la lumière, sujet de la thèse, obtenue grâces à l'interférence d'ondes contre-propageantes dans des milieux périodiques ou le confinement sub-longueur d'onde dans des guides d'ondes plasmoniques, est associé à une compression des pulses lumineux et une forte augmentation du champ électrique, deux phénomènes clés pour la miniaturisation de composées optiques et l'augmentation de l'interaction lumière matière
Enhancing light-matter interactions at micro and nanoscales is one of the spearheads of nanophotonics. Indeed, the control of the field distribution due to the resonant interaction of nanostructures with electromagnetic waves has prompted the development of numerous optical components for many applications in telecommunication, spectroscopy or sensing. A promising approach lies in the control of light speed in nanostructures. Light slowdown, obtained by wave interferences in periodic structures or subwavelength confinement in plasmonic waveguides, is associated to pulse compressions and large field enhancements,which are envisioned as key processes for the miniaturization of optical devices and the enhancement of light-matter interactions.The thesis studies both fundamental aspects and possible applications related to slow light in photonic and plasmonic nanostructures. In particular, we study the impact of periodic system sizes on the group velocity reduction and propose a novelfamily of resonators that implement slow light on very small spatial scales. We then investigate the role of fabrication disorder in slow periodic waveguides on light localization and demonstrate how modal properties influence the confinement of localized modes. Also we propose a new hollow-core photonic crystal waveguide that provides efficient and remote couplings between the waveguide and atoms thatare trapped away from it. Finally we demonstrate the important role played by slow plasmons on the emission of quantum emitters placed in nanogap plasmonic antennas and explain how large radiation efficiency can be achieved by overcoming quenching in the metal. Additionally, one part of the thesis is devoted to thederivation of a novel modal method to accurately describe the dynamics of plasmonic resonators under short pulse illumination

Cette thèse présente des résultats théoriques sur le chaos dans les systèmes quantiques. Dans sa première partie, nous étudions la dynamique du rotateur pulsé. Ce système, qui est la référence pour l'étude du chaos quantique, présente un gel de la diffusion en impulsion, appelé localisation dynamique. Celle-ci est un phénomène purement quantique basé sur des interférences destructives.

Comme tout phénomène d'interférence, la localisation dynamique est affectée par l'émission spontanée. Dans cette thèse, nous proposons une méthode basée sur la spectroscopie Raman, pour limiter l'impact de l'émission spontanée. Nous menons une étude analytique complète de la dynamique, en très bon accord avec nos simulations numériques.

Du fait de sa périodicité temporelle, le rotateur pulsé présente aussi des résonances quantiques, qui sont l'analogue de l'effet Talbot optique. En décrivant ces résonances dans l'espace des positions, nous en donnons une image simple et intuitive, basée sur des notions classiques comme la force.

Les condensats de Bose-Einstein ont ouvert la voie à l'obtention de phénomènes quantiques nouveaux. La non-linéarité de leur équation d'évolution permet notamment l'observation du chaos quasi-classique. Nous proposons ici une méthode pour le détecter, basée sur la mesure de la position moyenne du condensat. Cette méthode, dont la validité est confirmée par les exposants de Lyapunov du système, permet de distinguer sans équivoque les trajectoires chaotiques et régulières.

Excités par la lumière, les photosensibilisateurs (PS) génèrent des espèces transitoires, oxydantes qui altèrent les constituants cellulaires proches. De plus, les PS présentent une affinité sélective envers les tissus prolifératifs. Ces deux propriétés sont à la base d’applications thérapeutiques notamment dans le traitement de tumeurs. Le but de ce travail est d’établir des corrélations entre les paramètres structuraux des PS, leur accumulation spécifique dans les tissus cancéreux et leur efficacité à photodégrader des membranes lipidiques. Dans la première partie nous étudions par fluorescence l’effet du pH sur les interactions de la chlorine e6 (Ce6), un photosensibilisateur carboxylique, avec les protéines plasmatiques et les vésicules lipidiques. L’affinité de la Ce6 pour l’albumine diminue, alors que celle pour les lipoprotéines de basse densité (LDL) et les membranes lipidiques augmente lorsque le pH diminue. L’internalisation cellulaire par endocytose et la localisation sub-cellulaire de la Ce6, étudiées sur des fibroblastes, sont interprétées en termes de vectorisation par les LDL et de dynamique d’interaction avec les membranes lipidiques étudiée par « stopped flow ». Ces résultats éclairent la sélectivité des PS pour les tumeurs. En seconde partie, nous étudions la peroxydation induite par trois chlorines de structures différentes (Ce6, m-THPC, TPCS2a). La m-THPC et la TPCS2a sont respectivement de 69% et 39% plus efficaces pour oxyder le linoléate de méthyle que la Ce6. Par contre, la perméation photoinduite de la membrane est plus importante avec les chlorines chargées. La position membranaire du PS pourrait jouer un rôle déterminant dans ces processus

Cette thèse présente des résultats théoriques sur le chaos dans les systèmes quantiques. Dans sa première partie, nous étudions la dynamique du rotateur pulsé. Ce système, qui est la référence pour l'étude du chaos quantique, présente un gel de la diffusion en impulsion, appelé localisation dynamique. Celle-ci est un phénomène purement quantique basé sur des interférences destructives. Comme tout phénomène d'interférence, la localisation dynamique est affectée par l'émission spontanée. Dans cette thèse, nous proposons une méthode basée sur la spectroscopie Raman, pour limiter l'impact de l'émission spontanée. Nous menons une étude analytique complète de la dynamique, en très bon accord avec nos simulations numériques. Du fait de sa périodicité temporelle, le rotateur pulsé présente aussi des résonances quantiques, qui sont l'analogue de l'effet Talbot optique. En décrivant ces résonances dans l'espace des positions, nous en donnons une image simple et intuitive, basée sur des notions classiques comme la force. Les condensats de Bose-Einstein ont ouvert la voie à l'obtention de phénomènes quantiques nouveaux. La non-linéarité de leur équation d'évolution permet notamment l'observation du chaos quasi-classique. Nous proposons ici une méthode pour le détecter, basée sur la mesure de la position moyenne du condensat. Cette méthode, dont la validité est confirmée par les exposants de Lyapunov du système, permet de distinguer sans équivoque les trajectoires chaotiques et régulières
This thesis contains theoretical results about chaos in quantum systems. ln its first part, we study the dynamics of the quantum kicked rotor. This system, which is paradigmatic of quantum chaos, exhibits dynamical localization, a decay of diffusion in momentum space. The latter is a purely quantum phenomenon, as it is based on destructive interferences. As aIl interference effects, dynamical localization is affected by spontaneous emission. ln this manuscript, we propose a method to decrease the effect of spontaneous emission, by using Raman spectroscopy. We perform a full analytical study in very good agreement with our numerical simulations. As a consequence ofits temporal periodicity, the kicked rotor also exhibits quantum resonances, the analogy of the optical Talbot effect. By describing them in position space, we provide a simple and intuitive image of the resonances, based on classical notions like force. Bose-Einstein has enabled the study ofunprecedented quantum phenomena. ln particular, the nonlinearity of their evolution equation has made possible the observation of quasi-classical chaos. Here, we propose a method to detect chaos, by measuring the averaged position of the condensate. This method enables us to clearly distinguish chaotic and regular trajectories. Its validity is confirmed by the calculation of the system Lyapunov exponents

Cette thèse s’inscrit dans le domaine de la localisation de défauts de type «soft» dans les Circuits Intégrés (CI) analogiques et mixtes à l’aide des techniques dynamiques de stimulation laser en faible perturbation. Les résultats obtenus à l’aide de ces techniques sont très complexes à analyser dans le cas des CI analogiques et mixtes. Ce travail porte ainsi particulièrement sur le développement d’une méthodologie facilitant l’analyse des cartographies laser. Cette méthodologie est basée sur la comparaison de résultats de simulations électriques de l’interaction faisceau laser-CI avec des résultats expérimentaux (cartographies laser). L’influence des phénomènes thermique et photoélectrique sur les CI (niveau transistor) a été modélisée et simulée. La méthodologie a été validée tout d’abord sur des structures de tests simples avant d’être utilisée sur des CI complexes que l’on trouve dans le commerce
This thesis deals with Soft failure localization in the analog and mixed mode Integrated Circuits (ICs) by means of Dynamic Laser Stimulation techniques (DLS). The results obtained using these techniques are very complex to analyze in the case of analog and mixed ICs. In this work we develop a methodology which facilitates the analysis of the laser mapping. This methodology consists on combining the experimental results (laser mapping) with the electrical simulations of laser stimulation impact on the device. The influence of photoelectric and thermal phenomena on the IC (transistor level) has been modeled and simulated. The methodology has been validated primarily on test structures before being used on complex Freescale ICs existing in commerce

La spectrométrie Raman, mettant en jeu des phonons de longueur d'onde nanométrique, est une technique de choix pour l'étude des nanostructures. Elle met en évidence les effets de localisation ou de mélange des états électroniques. La cohérence spatiale des modes de vibration, à l'origine du phénomène d'interférence Raman, permet quant à elle de sonder de la structuration spatiale de la matière, tant d'un point de vue électronique qu'acoustique, ouvrant ainsi la voie vers des dispositifs de caractérisation intégrés. La spécificité de l'approche développée dans ce manuscrit réside dans la comparaison entre mesures et calculs de la section efficace de diffusion Raman. Elle apporte une compréhension quantitative des fréquences mais aussi des intensités des pics mesurés. Ainsi, cette démarche a permis d'identifier un nouveau mécanisme de couplage phonon-plasmon qui s'est avéré être le mécanisme dominant la diffusion Raman basses fréquences dans les nano-particules métalliques.

Tout d'abord, nous évoquerons un aperçu général de l'analyse topologique basée sur la densité d'électronique, le trou d'échange-corrélation et la densité de paires. Une fois la densité électronique rappelée, l'analyse topologique de la densité électronique est expliquée, ainsi que la procédure de calcul des points critiques de la densité électronique, le calcul de la matrice hessienne de la densité électronique et la définition des points critiques à la surface. Tous ces outils topologiques permettent de caractériser la nature des liaisons chimiques parallèlement à l'indice basé sur la délocalisation. Afin de comprendre la nature des énergies et des interactions dans les systèmes, l'analyse d'interaction non covalente est expliquée et combinée à l'analyse de décomposition d?énergie. De plus, les états de transition seront étudiés en appliquant les orbitales naturelles pour la valence chimique (ETS-NOCV). Les concepts clés du magnétisme moléculaire sont abordés. Nous nous concentrons sur l'aimantation et la susceptibilité magnétique, les composants diamagnétiques et paramagnétiques provenant de toute réponse magnétique dans les systèmes. Les propriétés de champs magnétiques induits sont étudiés dans le but de comprendre l'aromaticité à travers de deux descripteurs, les déplacements chimiques indépendants du noyau et les densités de courant induit. En annexe à la théorie, l'interaction isotrope dans les composés dinucléaires est introduite pour expliquer et mesurer certaines erreurs trouvées dans la théorie de la fonctionnelle de densité (TFD). [...]
The first property here analysed and related with electronic localization/delocalization is the aromaticity. Aromaticity is an important concept introduced by Kekulé; since then, theoreticians and experimentalist have tried to understand it in different groups of molecules analogues to benzene. The importance of this concept and how the aromaticity is affected by the chemical environment is important to understand and link some physicochemical properties. i.e., reactivity, stability, magnetic response. The physicochemical properties of interest are the electronic structure, the nature of bonds and organometallic interactions(differentiation between metallocenes and metallabencenes). Furthermore, the magnetic response and the study of building blocks as possible candidates to make nano-wires or new low-dimension magnetic materials. Finally, we try to understand the interaction and the errors involved in some properties theoretically computed like, the isotropic coupling between metals through aromatic (or organic) units that have become important benchmark molecules to study magnetic properties in inorganic as well as metal-organic systems [...]

We present the development of a novel, UHV-compatible device fabrication strategy for the realisation of nano- and atomic-scale devices in silicon by harnessing the atomic-resolution capability of a scanning tunnelling microscope (STM). We develop etched registration markers in the silicon substrate in combination with a custom-designed STM/ molecular beam epitaxy system (MBE) to solve one of the key problems in STM device fabrication ??? connecting devices, fabricated in UHV, to the outside world. Using hydrogen-based STM lithography in combination with phosphine, as a dopant source, and silicon MBE, we then go on to fabricate several planar Si:P devices on one chip, including control devices that demonstrate the efficiency of each stage of the fabrication process. We demonstrate that we can perform four terminal magnetoconductance measurements at cryogenic temperatures after ex-situ alignment of metal contacts to the buried device. Using this process, we demonstrate the lateral confinement of P dopants in a delta-doped plane to a line of width 90nm; and observe the cross-over from 2D to 1D magnetotransport. These measurements enable us to extract the wire width which is in excellent agreement with STM images of the patterned wire. We then create STM-patterned Si:P wires with widths from 90nm to 8nm that show ohmic conduction and low resistivities of 1 to 20 micro Ohm-cm respectively ??? some of the highest conductivity wires reported in silicon. We study the dominant scattering mechanisms in the wires and find that temperature-dependent magnetoconductance can be described by a combination of both 1D weak localisation and 1D electron-electron interaction theories with a potential crossover to strong localisation at lower temperatures. We present results from STM-patterned tunnel junctions with gap sizes of 50nm and 17nm exhibiting clean, non-linear characteristics. We also present preliminary conductance results from a 70nm long and 90nm wide dot between source-drain leads which show evidence of Coulomb blockade behaviour. The thesis demonstrates the viability of using STM lithography to make devices in silicon down to atomic-scale dimensions. In particular, we show the enormous potential of this technology to directly correlate images of the doped regions with ex-situ electrical device characteristics.

S'ha estudiat la cinètica de fotosensibilització de l'oxigen singlet (1O2) en cèl·lules eucariotes en suspensió mitjançant un espectròmetre d'última generació amb resolució temporal per sota del microsegon. Els estudis revelen que la cinètica del 1O2 depèn del seu lloc de formació. Per una banda, la producció del 1O2 es més lenta en els lisosomes que en el nucli. Per altra banda, el 1O2 es capaç d'escapar de les cèl·lules quan es fotosensibilitza en el nucli, però es queda confinat al interior si es fotosensibilitza en els lisosomes. Malgrat que el temps de vida del 1O2 es troba en els microsegons, la desactivació principal ve donada per interaccions amb les biomolècules característiques de cadascú dels orgànuls.

La incertesa respecte a la producció de 1O2 en un orgànul determinat es pot eliminar mitjançant l'ús de fotosensibilitzadors modificats genèticament, ja que aquets poden ésser expressats selectivament. Amb aquesta finalitat, s'avaluen les propietats fotosensibilitzants de mutants de proteïna fluorescent verd (GFP). Algunes de les GFPs estudiades sensibilitzen la formació del 1O2 malgrat amb baixa eficiència. Els resultats obtinguts es comparen amb els del cromòfor de la GFP i mostren que l'estructura proteínica, a sobre de modular les propietats fotofísiques del cromòfor, també el protegeix de la desactivació col·lisional.

Finalment, s'estudien les propietats d'absorció bifotónica del 2,7,12,17-tetrafenilporficé i del seu complex de pal·ladi (II). L'eficiència de formació del 1O2 per part dels dos compostos, desprès de l'absorció simultània de dos fotons, es aproximadament 100 vegades superior a la dels seus anàlegs porfirínics, amb seccions d'absorció bifotòniques δ ~ 25 GM. Les excel·lents propietats d'aquestos compostos s'expliquen mitjançant arguments qualitatius i s'analitzen les seves perspectives de cara al seu ús en teràpia fotodinámica.
Se ha estudiado la cinética de fotosensibilización de 1O2 en células eucariotas en suspensión, usando un espectrómetro de última generación con resolución temporal por debajo del microsegundo. Los estudios revelan que la cinética del 1O2 depende de su lugar de formación. Por una parte, la producción de 1O2 es más lenta en los lisosomas que en el núcleo. Por otra parte, el 1O2 es capaz de escapar de las células cuando es fotosensibilizado en el núcleo, mientras que queda confinado en el interior si se fotosensibiliza en los lisosomas. A pesar de que el tiempo de vida del 1O2 se encuentra en los microsegundos, la desactivación principal viene dada por interacciones con las biomoléculas características de cada orgánulo.

La incertidumbre respecto a la producción de 1O2 en un orgánulo determinado puede ser eliminada mediante el uso de fotosensibilizadores modificados genéticamente ya que pueden ser expresados selectivamente. Con este fin, se evalúan las propiedades fotosensibilizantes de mutantes de proteína fluorescente verde (GFP). Algunas de las GFPs estudiadas sensibilizan la formación de 1O2 aunque con baja eficiencia. Los resultados obtenidos se comparan con los del cromóforo de la GFP y muestran que la estructura proteínica, además de modular las propiedades fotofísicas del cromofóro, también lo protege de la desactivación colisional.

Finalmente, se estudian las propiedades de absorción bifotónica del 2,7,12,17-tetrafenilporficeno y de su complejo de paladio (II). La eficacia de formación de 1O2 de ambos compuestos, tras la absorción simultánea de dos fotones, es aproximadamente 100 veces superior a la de sus análogos porfirínicos, con secciones de absorción bifotónica δ ~ 25 GM. Las excelentes propiedades de estos compuestos se explican mediante argumentos cualitativos y se analizan sus perspectivas de cara a su uso en terapia fotodinámica.
The kinetics of singlet oxygen (1O2) photosensitisation in human skin fibroblasts have been investigated by means of an ultrasensitive near-infrared spectrometer with submicrosecond time resolution. The results indicate that the 1O2 kinetics are site-dependent. On one hand, the production of 1O2 is slower in the lysosomes than in the nucleus. On the other hand, 1O2 is able to escape out of the cells when photosensitised in the nucleus, while 1O2 photosensitized in the lysosomes is confined. Despite showing a lifetime in the microsecond time domain, the decay of 1O2 is governed by interactions with the biomolecules within the organelle there it is produced.

The uncertainty as to the intracellular site of 1O2 production may be removed by the use of genetically-encoded photosensitisers, which can be expressed in any desired organelle. Towards this end, the ability of some fluorescent proteins (GFPs) to photosensitise 1O2 has been studied. Some of the studied proteins are able to produce 1O2 albeit with a very low quantum yield. The results obtained are compared to those of the synthetic GFP chromophore and indicates that the protein scaffold not only plays a role in modulating the photophysical properties of the chromophore but also has a protective function from collisional quenching.

Finally, the two-photon absorption properties of tetraphenylporphycene and its palladium (II) complex have been determined. These compounds are ca. 100-fold more efficient two-photon 1O2 photosensitisers than their isomeric porphyrin counterparts, with two-photon absorption cross sections δ ~ 25 GM. Qualitative symmetry-based arguments are provided to explain the excellent two-photon properties and the prospects for photodynamic therapy are discussed.

Disordered photonics is the study of light in random media. In a disordered photonic medium, multiple scattering of light and coherence, together with the fundamental principle of reciprocity, produce a wide range of interesting phenomena, such as enhanced backscattering and Anderson localization of light. They are also responsible for the existence of modes in these random systems. It is known that analogous processes to Bose-Einstein condensation can occur in classical wave systems, too. Classical condensation has been studied in several contexts in photonics: pulse formation in lasers, mode-locking theory and coherent emission of disordered lasers. All these systems have the common theme of possessing a large ensemble of waves or modes, together with nonlinearity, dispersion or gain. In this work, we study light condensation and its connection with light localization in a disordered, passive dielectric medium. We develop a theory for the modes inside the disordered resonator, which combines the Feshbach projection technique with spin-glass theory and statistical physics. In particular, starting from the Maxwell’s equations, we map the system to a spherical p-spin model with p = 2. The spins are replaced by modes and the temperature is related to the fluctuations in the environment. We study the equilibrium thermodynamics of the system in a general framework and show that two distinct phases exist: a paramagnetic phase, where all the modes are randomly oscillating and a condensed phase, where the energy condensates on a single mode. The thermodynamic quantities can be explicitly interpreted and can also be computed from the disorder-averaged time domain correlation function. We launch an ab initio simulation campaign using our own code and the Shaheen supercomputer to test the theoretical predictions. We construct photonic samples of varying disorder and find computationally relevant ways to obtain the thermodynamic quantities. We observe the phase transition and also link the condensation process to the localization. Our research could be a step towards the ultimate goal: to build a ”photonic mode condenser”, which transforms a broadband spectrum to a narrow one - ideally, to a single mode - with minimal energy loss, aided solely by disorder.