L'évolution qui caractérise principalement le domaine de la microélectronique est la réduction des dimensions des circuits intégrés. L'industrie des semi-conducteurs n'a cessé d'améliorer ses produits en augmentant la densité d'intégration et la vitesse de fonctionnement. Pourtant, les effets de la réduction des dimensions ne se limitent pas à un simple facteur d'échelle puisque des limitations physiques et technologiques font surgir de nouvelles contraintes. Parmi celles ci, les limitations induites par la miniaturisation des réseaux d'interconnexions constituent un facteur critique pour les performances des circuits intégrés des générations à venir. Le retard des signaux à transmettre, la consommation de puissance et de surface sont des éléments qui conduisent à proposer des systèmes d'interconnexions innovants, au delà du cuivre et des matériaux de basse permittivité. La faisabilité des interconnexions radiofréquences est évaluée au cours de cette étude, comme une solution alternative face aux limitations des interconnexions traditionnelles. La transmission des informations avec des ondes électromagnétiques émises et détectées par des antennes intégrées pourrait résoudre le problème de retard de propagation des signaux et permettre de réduire la surface occupée et la puissance consommée.Les performances des antennes intégrées sur substrat silicium bulk ou SOI sont étudiées par des moyens théoriques et expérimentaux dans la bande de fréquence allant de 10 GHz à 40 GHz. L'impact des matériaux sur l'amplitude de la puissance transmise est analysé. Les mesures réalisées sur les prototypes des dipôles montrent un excellent gain de transmission de l'ordre de -10 dB..

La définition de la seconde est basée, depuis 1967, sur les propriétés atomiques de l'atome de césium. Une horloge atomique est l'instrument qui permet de réaliser cette définition avec une exactitude limitée par plusieurs sources de perturbations. Toute amélioration dans les performances des horloges atomiques est la bienvenue pour les diverses applications, actuelles et futures, qui utilisent ces horloges. L'objet de ce travail de thèse est d'améliorer les performances de l'étalon primaire de fréquence (JPO) à jet de césium du Laboratoire Primaire du Temps et des Fréquences. Les résultats obtenus se traduisent par les performances suivants : Notre Horloge JPO est maintenant l'horloge, à jet thermique, la plus exacte au monde, avec une exactitude de 6,3 x 10-15. Elle est également l'horloge à jet thermique la plus stable, avec une stabilité à court terme de 3 x 10-13/sqrt(t) où t est le temps d'intégration en seconde.<br />L'obtention de ces bons résultats est liée à la maîtrise des fuites micro-ondes grâce à la conception et à la réalisation d'une cavité de Ramsey. La bonne exactitude est due aux nouvelles techniques de traitement du signal (problèmes inverses, régularisation. analyse cepstrale, ...) que nous avons introduites pour mieux évaluer les effets perturbateurs. La bonne stabilité profite de l'étude détaillée du système d'asservissement dans une horloge ainsi que de la réalisation matérielle et logicielle d'une boucle d'asservissement numérique de haute qualité.

Ce mémoire présente des résultats théoriques et expérimentaux sur les interactions entre atomes et lumière laser dans les horloges atomiques à pompage optique. On présente tout d'abord l'affinement spectral de lasers à semiconducteurs par la technique de la cavité étendue. Deux types de couplage, faible et fort, sont testés et comparés. La conception de structures performantes est présentée,et une méthode d'auto-alignement est mise en œuvre pour réduire la sensibilité des ces lasers aux perturbations extérieures. Ensuite, les interactions atomes/lumière sont décrites par le formalisme de la matrice densité, en prenant en compte le bruit de fréquence et la modulation du laser. Cette partie développe plus particulièrement l'analyse du pompage optique. On montre que le flux atomique présente, à pompage incomplet, des fluctuations sur-poissonniennes dues au bruit de fréquence du laser. Enfin, en dernière partie, une évaluation expérimentale de l'influence des paramètres des lasers sur les signaux d'horloge est menée. Les rôles des lasers de pompage et de détection sont étudiés séparément, et l'extra-bruit de détection des atomes non-pompés est mesuré pour des lasers de pompage de largeurs de raie différentes. L'influence de l'efficacité du pompage sur le rapport signal-à-bruit du signal d'horloge est déterminée expérimentalement pour une horloge à jet thermique de césium, dans une configuration de frange brillante.

Les performances d'un étalon de fréquence atomique dépendent étroitement du temps d'observation des atomes. L'interrogation d'atomes refroidis par laser dans une géométrie de fontaine permet d'obtenir des temps d'interaction d'une demie seconde. Cette durée peut être variée sur une plus large gamme en l'absence de gravité terrestre, dans un environnement spatial et doit fournir un meilleur compromis stabilité-exactitude. L'application de ce principe constitue une des motivations principales du projet PHARAO, qui participera à la mission spatiale ACES, prévue en 2006 à bord de la station spatiale internationale. La première partie de ce travail de thèse porte sur l'étude de la fontaine PHARAO, fonctionnant avec des atomes de Cs133. Cette horloge est issue de la transformation d'un prototype d'horloge spatiale testé en micro-gravité. Une évaluation détaillée de l'ensemble des déplacements de fréquence mène à une exactitude relative de 7,7 10^(-16), essentiellement limitée par les collisions entre atomes froids. Sa stabilité de fréquence est de 1,7 10^(-13)tau^(-1/2). Ces valeurs sont obtenues pour un fonctionnement avec 4 10^(5) atomes détectés fournissant un bon compromis stabilité-exactitude. Cette horloge transportable construite au BNM-SYRTE, a également fonctionné au MPQ à Munich (Allemagne). La collaboration entre les deux laboratoires a permis une amélioration d'un facteur ~10 sur l'exactitude de la mesure (1,8 10^(-14)) de la transition à deux photons 1S-2S de l'atome d'hydrogène. Ce mémoire présente dans une seconde partie, la caractérisation de sous ensembles de l'horloge spatiale PHARAO, en particulier la construction d'un prototype de diode laser à cavité étendue et le test de la symétrie de phase entre les deux zones d'interrogation de la cavité spatiale.

La rétine contient une horloge endogène régulant différentes fonctions rythmiques et participe à la synchronisation de l'horloge centrale du SCN au temps géophysique. Cette synchronisation met en jeu les bâtonnets, les cônes et les cellules à melanopsine. Contrairement au SCN, le rôle des photorécepteurs dans la réponse à la lumière de l'horloge rétinienne est controversé. Nos travaux et ceux d'autres équipes soutiennent un rôle de la melanopsine alors que 2 études récentes suggèrent que seule la neuropsine est impliquée. Mon projet vise à disséquer le rôle des différents photorécepteurs par des approches in vitro/ex vivo chez des souris sauvages, Per2Luc et/ou déficientes en photorécepteurs. Des lumières monochromatiques ciblant différents photorécepteurs ont été appliquées à des explants rétiniens en culture de souris Per2Luc ou déficientes en melanopsine, cônes MW ou bâtonnets. Nos résultats montrent un rôle des bâtonnets dans le décalage de phase de l'horloge rétinienne par la lumière dans le spectre visible et une contribution additionnelle des cônes SW et/ou de la neuropsine dans l'UV. L'horloge rétinienne étant composée de plusieurs horloges et afin de déterminer leur réponse à la lumière, l'induction photique des gènes Per1-Per2 et C-Fos a été analysée dans les couches rétiniennes isolées chez des souris sauvages et déficientes en photorécepteurs. Chez les souris sans melanopsine ou cônes MW, l'induction de Per1-Per2 est abolie dans toutes les couches, suggérant un rôle de ces photorécepteurs. En résumé, nos résultats indiquent un rôle différentiel des photorécepteurs en fonction de la réponse mesurée (décalage de phase de PER2::Luc et induction des gènes de l'horloge par la lumière) / The mammalian retina contains an endogenous pacemaker regulating retinal physiology and participate to the sybchronization of the temporal phase of the central clock of the SCN to environmental time. This entrainment process involves rods, cones and melanopsin-containing retinal ganglion cells. In contrast with the SCN, the role of these photoreceptors in the light response of the retinal clock is still controversial. While recent studies suggest that none of them is involved in light response of the retinal clock, others support a role for melanopsin. My project aims to dissect the role of these different photoreceptors in wild-type, Per2Luc and/or photoreceptor-deficient mice using in vitro/ex vivo approaches. Monochromatic lights targeting different photoreceptors were applied to retinal explants of Per2Luc or melanopsin-, MW cones- or rods-deficient mice. Our results demonstrate that rods are required for the light-induced phase shift of the retinal clock in the visible spectrum and suggest an additional contribution of SW cones and/or neuropsin in the UV. As the retinal clock is composed of several clocks and in order to determine their response to light, the photic induction of Per1-Per2 and C-Fos genes was analyzed in isolated retinal layers from wild-type and photoreceptor-deficient mice. In mice without melanopsin or MW cones, Per1-Per2 induction by light is abolished in all layers, suggesting a role for these photoreceptors. In summary, our results propose a differential contribution of the retinal photoreceptors as a function of the response recorded (phase shift of PER2::Luc or induction of clock genes by light)

Cette thèse décrit le travail expérimental sur différentes techniques visant l'obtention du contrôle de l'état quantique d'atomes et de molécules, pour application dans l'informatique quantique, la métrologie et l'astrophysique. Le contrôle cohérent exige des conditions précises de fonctionnement d'un système où la décohérence est minimisée. La construction d'une machine à jet atomique de calcium est présentée comme l'élément de base d'expériences où des schémas d'excitation laser choisis permettront de préparer de façon robuste un état quantique au moyen d'impulsions composites. La deuxième section décrit ma contribution pour améliorer la stabilité de fréquence relative de l'horloge à fontaine de cesium CSF2, à l'institut allemand de métrologie. Un piège magnéto-optique modifié produit un faisceau d'atomes de césium lents. Ils sont préparés dans un état noir spécifique puis sont efficacement transférés à la mélasse optique de la fontaine. L'augmentation du nombre d'atomes participant ainsi au cycle d'horloge améliore sa stabilité d'un facteur 6. La troisième section concerne les spectres de molécules NiH et FeH. Plusieurs sources pour leur production en laboratoire ont été développées et testées. Une expérience d'absorption laser différentielle et une technique de spectroscopie intra-cavité sont appliquées aux molécules faiblement absorbantes NiH, afin d'obtenir leurs coefficients d'absorption dans le rouge. La réponse Zeeman de la molécule FeH (une sonde du champ magnétique des étoiles froides) dans le proche infrarouge est étudiée par spectroscopie laser de précision afin d'établir des facteurs Landé pour 33 niveaux rovibrationnelles de l'état électronique F 4? / This thesis describes experimental work on different techniques aiming to achieve control of the quantum state of atoms and molecules, envisaging applications in quantum computing, metrology and astrophysics.Successful coherent control requires careful design of operating conditions for a system where decoherence is minimized. The construction of a calcium atomic beam is presented as a necessary element in experiments with laser excitation schemes chosen to provide high-fidelity preparation of a quantum satate by means of composite pulses. The second section describes my contribution to the improvement of the relative frequency stability of the Cs fountain clock CSF2 at the German institute of metrology. A modified magneto-optical trap is employed to form a beam of slow cesium atoms. They are prepared in a specific dark state and subsequently are efficiently transferred to the optical molasses of the fountain. Increasing number of atoms participating in the clock cycle in this way improves the stability of the clock by a factor of 6.The third section is concerned with spectra of metal hydride molecules NiH and FeH. Several sources for production of these molecules in laboratories were developed and tested. A differential laser absorption experiment and a cavity-enhanced spectroscopy technique are applied on the w??kly absorbing NiH molecules, to obtain absorption coefficients for the red bands of NiH. The Zeeman response of the FeH molecule (a probe for magnetic fields in cool stars) in the near-IR is investigated by precision laser spectroscopy establishing Landé factors for 33 rovibrational levels of the F 4? electronic state

Le travail présenté dans cette thèse consiste en la création et l'étude des propriétés d'un nouveau modèle computationnel de l'horloge circadienne végétale et de certains processus physiologiques qui en dépendent.L'horloge circadienne est un rythme endogène d'une période d'environ 24 heures que possèdent la plupart des êtres vivants. Il est généré au niveau moléculaire par des boucles de rétroaction transcriptionnelles, traductionnelles et/ou post-traductionnelles. L'horloge permet aux organismes de s'a- dapter à leur environnement. L'horloge des plantes se distingue par un nombre important de composants (gènes et protéines) dont la majorité sont régulés par la lumière.Dans un premier temps, un nouveau modèle computationnel qui combine une structure complexe et hautement interconnectée avec un nombre réduit d'équations et de paramètres est construit. Ce modèle reproduit correctement les profils d'expression des gènes de l'horloge du type sauvage ainsi que les altérations provoquées par une perte de fonction de chacun de ces gènes. Plusieurs extensions modélisant des processus physiologiques dépendant de l'horloge, à savoir la croissance de l'hypocotyle et la régulation de la floraison, sont également testées.Ensuite, la réponse particulièrement complexe de l'horloge végétale à la lumière est explorée en détail afin de déterminer l'utilité de multiples récepteurs lumineux. Pour ce faire, l'entraînement de l'oscillateur par des cycles jour-nuit de durée différente de 24 heures est mesuré et les différents comportements observés (entraînement périodique, quasipériodicité, chaos) sont caractérisés. Les simulations suggèrent que les multiples senseurs lumineux permettent d'allier une grande flexibilité et une résistance aux effets des fluctuations rapides de luminosité, améliorant ainsi l'adaptation des plantes à l'environnement.Enfin, plusieurs hypothèses permettant de rendre compte des différences observées entre l'horloge des racines et celle des feuilles sont explorées, et différents mécanismes de synchronisation entre ces deux oscillateurs sont testés. / The circadian clock is an endogenous timekeeper with a period of around 24 hours, found in most living beings, which helps organisms adapt to their environment by anticipating daily and seasonal variations. It originates at the molecular level, from transcriptional-translational feedback loops between a small number of genes.In this thesis, a computational model of the plant circadian oscillator is built based on current knowledge of the underlying genetic network. This network is highly complex and interconnected, but the new model needs only a small number of equations and parameters to accurately predict the expression profiles of the main clock genes in various light conditions, as well as the defects associated with a loss of function in those genes. Clock-regulated processes such as hypocotyl growth and flowering are also reproduced with good accuracy. One of the particularities of the plant clock is a large number of light-sensitive components. A study of the role of those multiple light sensors on the entrainment properties of the clock is presented. It uses the newly built model to subject the clock to a very large range of conditions and generate theoretical light-insensitive mutants. The combination of an intricate oscillator and a multiplicity of light sensors makes the plant clock highly flexible, able to adapt to a wide range of conditions but resistant to the disrupting effects of random fluctuations.Preliminary steps towards a more realistic depiction of the plant clock as multiple interacting oscillators are taken. These include modeling a heterogeneous population by changing parameter values, modifying the model to account for known differences between the clocks of the roots and shoots, and testing possible synchronizing mechanisms between those two organs. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les deux premiers chapitres de la thèse présentent le principe d’un étalon de fréquence optique et les applications qui en découlent. Les principaux avantages métrologiques de l’horloge à réseau optique de mercure sont mis en avant, et quelques rappels théoriques d’interraction matière-rayonnement appliquée à la métrologie des fréquences sont effectués. Le montage expérimental est décrit de manière générale dans le chapitre 3, en insistant particulièrement sur les différentes sources laser utilisées. Les améliorations apportées au montage durant la thèse, font l’objet du chapitre 4. La première amélioration concerne le laser de refroidissement à 254nm. Mes travaux nous ont permis d’augmenter le temps d’interrogation des atomes, étape nécessaire pour une nouvelle mesure de stabilité de l’horloge et la caractérisation des effets systématiques. Afin d’augmenter ultérieurement la stabilité, une refonte de la cavité optique qui piège les atomes dans le réseau s’est révèlée indispensable. La nouvelle cavité permet de capturer 10 fois plus d’atomes grâce à une profondeur de piégage acrue d’un facteur 3, influant directement sur le rapport signal sur bruit. Enfin, les résultats expérimentaux obtenus sont décrits dans le 5ème et dernier chapitre. La spectroscopie sur fond noir d’un échantillon de mercure polarisé en spin avec une largeur de raie record de 3.3Hz nous a permis de mesurer une stabilité de 1.2x10 -15 à une seconde, soit presque un facteur 5 mieux par rapport à notre précédente mesure. Une caractérisation de plusieurs effets systématiques sur la transitions d’horloge (shift colisionnel, effet zeeman ou encore effet de la lumière de piégage) a été menée au niveau de 10-16. / The first two chapters of thesis describe the basics of optical standards and its applications. Highlight advantages of mercury as a frequency reference in optical lattice clock and give theoretical background about atom-light interaction, origins of systematic shifts and their influence on stability of a clock. The third chapter describes the experimental setup. It includes the schemes and operation of the main laser systems and their characteristics, the vacuum chamber and magneto-optical trapping of atoms. The fourth chapter is about the setup improvements that I made during the thesis. It describes the new doubling stage at 254 nm for the cooling laser system that was designed and implemented during the thesis. The new doubling stage allowed us to perform spectroscopies with long integration times necessary for the measurement of stability of our clock and systematic shifts. The second major and important improvement was the change of the lattice trap cavity. The new lattice cavity allowed us to increase trap depth by a factor of 3, number of trapped atoms by 10, improved the signal to noise ratio and increased stability of the clock. The fifth chapter tells about the obtained results. Thanks to all the technical improvements spectroscopy of the clock transition with the record linewidth of 3.3 Hz was demonstrated. State selection and spectroscopy on dark background were implemented. Stability of the clock was improved by a factor of 5 and measured to be 1.2*10-15 at 1 s. No observable collision shift and second order Zeeman shift were measured at the uncertainty level of ~1*10-16. The shift of the clock frequency due to lattice light was measured to be below 6*10-17.

Les microalgues du phytoplancton sont exposées à des variations fréquentes et rapides de la qualité et de l'intensité spectrale en milieu marin. On peut donc supposer qu'il existe des mécanismes de photoperception spécifiques aux microalgues, différents de ceux identifiés chez les organismes terrestres. L'importance de l'horloge circadienne dans la transmission de l'information lumineuse et notamment la photopériode a largement été caractérisée chez plusieurs organismes modèles terrestres. Le principal objectif de ma thèse était d'étudier les régulations des gènes de l'horloge en réponse à la lumière, chez la microalgue Ostreococcus tauri. Le développement récent des techniques de génomique fonctionnelle chez cette microalgue eucaryote l'a promue comme un nouvel organisme modèle pour l'étude de mécanismes complexes tels que horloge circadienne. Mon étude s'est focalisée sur la caractérisation d'une voie de signalisation de type système à deux composants susceptible de transmettre le signal lumineux vers l'oscillateur central de l'horloge. J'ai étudié les régulations des principaux acteurs de l'horloge d'Ostreococcus par la lumière, et en particulier celles du gène TOC1. J'ai aussi caractérisé la protéine LOV-HK, un nouveau type de photorécepteur à la lumière bleue chez les eucaryotes, dont l'activité est requise pour le bon fonctionnement de l'horloge d'Ostreococcus. L'importance des régulations transcriptionnelles de TOC1 et de LOV-HK, ainsi que leurs fonctions dans l'oscillateur central ont été abordées par l'utilisation d'un promoteur inductible. Enfin, j'ai montré que LOV-HK et plus globalement l'horloge régulent la croissance cellulaire et la biomasse, démontrant leur rôle central dans le contrôle de la physiologie d'Ostreococcus tauri. / Light quality and intensity change frequently in the water column. Therefore marine microalgae are exposed to large changes in light spectrum. Photoperception mechanisms in microalgae are expected to differ from those of land plants since the marine environment has unique properties of light transmission. The focus of my PhD project concerns two mains topics, circadian clock regulation and photoperception in the microalga Ostreococcus tauri. In recent years, O. tauri has emerged as a promising model organism using functional genomics approaches to study complex processes such as the circadian clock regulations. My study was focused on the involvement of a two components system in light transmission to the circadian clock of Ostreococcus. I have studied the molecular mechanisms underlying the regulation of the core clock component TOC1. I have also characterized a novel eukaryotic blue light photoreceptor called LOV-HK, which regulates circadian clock function in Ostreococcus. Using an inducible promoter system to modulate the levels of TOC1 and LOV-HK, I have analyzed the importance of their transcriptional regulations in the clock. Finally, I have shown that LOV-HK and more generally the circadian clock, regulates cell growth and biomass in Ostreococcus tauri.

Bâti sur des données ayant identifié le noyau suprachiasmatique de l'hypothalamus (NSC), composante centrale de l'horloge circadienne des mammifères, comme une structure à fortes potentialités de plasticité structurale, ce travail de thèse a visé à déterminer si la synchronisation photique de l’horloge pouvait mettre en jeu une telle plasticité. Par une analyse ultrastructurale, nous démontrons que le cycle jour/nuit s’accompagne de remaniements neurono-gliaux du NSC affectant différentiellement les neurones à VIP, principales cibles d'intégration des messages rétiniens, et les neurones à vasopressine. Ces remaniements seraient bien liés à la synchronisation photique de l’horloge dans la mesure où, dans le NSC, l’expression rythmique de la GFAP, une protéine du cytosquelette des astrocytes, est abolie sous obscurité constante, tandis que les fluctuations journalières des glucocorticoïdes circulants, connues pour moduler la synchronisation photique, sont apparues être impliquées dans la régulation rythmique de cette plasticité. Grâce au développement d’une méthode d’analyse quantitative en imagerie confocale, nous montrons une augmentation diurne de la densité d’innervation synaptique, glutamatergique et non glutamatergique, sélective des neurones à VIP. Des données en microscopie électronique indiquent que ce remodelage synaptique n’implique pas les synapses GABAergiques, au moins au niveau dendritique des neurones à VIP. Ce travail a permis d’identifier formellement la composante centrale de l’horloge circadienne, le NSC, comme une structure capable d’adapter, de manière rapide et réversible, son architecture gliale et synaptique aux exigences fonctionnelles. / This thesis work was based on data identifying the suprachiasmatic nucleus of the hypothalamus (SCN), the central component of the mammalian circadian clock, as a structure with a high potential for structural plasticity. It was aimed at determining whether the photic synchronization of the clock may involve such a plasticity.Using an exhaustive ultrastructural analysis, we showed that the SCN underwent day/night rearrangements of its neuronal-glial network, which affected differentially the VIP (vasoactive intestinal peptide)-synthesizing neurons, the main targets for retinal signals, and the vasopressin-synthesizing neurons. The rearrangements appeared to be linked with photic synchronization as the rhythmic expression of GFAP, an astrocytic cytosqueletal protein, was abolished in SCN under constant darkness. Moreover we found the daily fluctuations of circulating glucocorticoids, known as modulators of photic synchronization of the clock, to be involved in the rhythmic regulation of SCN structural plasticity.Thanks to the development of a quantitative analysis method in confocal imaging, we showed a selective increase at daytime in the glutamatergic and non-glutamatergic synapses made on the VIP neurons. Complementary electron-microscopic data indicated that the synaptic remodeling did not involve GABAergic synapses, at least at the dendritic level of VIP neurons.This work permitted to formally identify the central component of the circadian clock, the SCN, as a structure able to adapt, rapidly and reversibly, its glial and synaptic architecture to functional needs.