Les circuits électroniques mesurés à des températures cryogéniques permettent d'étudier le comportement quantique des électrons. En particulier, les circuits de boites quantiques sont des systèmes accordables modèles pour l'étude des électrons fortement corrélés, symbolisée par l'effet Kondo. Dans cette thèse, des circuits de boîtes quantiques à base de nanotube de carbone sont intégrés à des cavités micro-onde coplanaires, avec lesquelles l'électrodynamique quantique en cavité (cQED) a atteint un degré de contrôle remarquable de l'interaction lumière-matière. Les photons de la cavité micro-onde sont ici utilisés pour sonder la dynamique de charge dans le circuit de boîtes quantiques. Plus précisément, la cavité micro-onde de grande finesse nous a permis de mesurer la compressibilité du gas d'électrons dans une boîte avec une sensibilité sans précédent. Des mesures simultanées de transport électronique et de la compressibilité montrent que la résonance Kondo observées dans la conductance est transparente aux photons micro-ondes. Cela révèle le gel de la dynamique de charge dans la boîte quantique pour ce mécanisme particulier de transport d'électrons et illustre que la résonance Kondo à N-corps dans la conductance est associée aux corrélations issues des fluctuations de spin d'une charge gelée. Nous étudions aussi dans cette thèse la possible émergence d'une nouvelle quasi-particule, appelée état lié de Majorana, et qui serait sa propre anti-particule. Dans ce but, une grille ferromagnétique a été placée sous le nanotube pour créer un couplage spin-orbit artificiel. L'observation d'états d'Andreev dans un tel dispositif est un premier pas prometteur vers la détection avec une architecture cQED d'états liés de Majorana dans les nanotubes de carbone. / On-chip electronic circuits at cryogenic temperature are instrumental to studying the quantum behavior of electrons. In particular, quantum dot circuits represent tunable model systems for the study of strong electronic correlations, epitomized by the Kondo effect. In this thesis, carbon nanotube based-quantum dot circuits are embedded in coplanar microwave cavities, with which circuit quantum electrodynamics (cQED) has reached a high degree of control of the light-matter interaction. Here, microwave cavity photons are used to probe the charge dynamics in the quantum dot circuit. More precisely, the high finesse cavity allows us to measure the compressibility of the electron gas in the dot with an unprecedented sensitivity. Simultaneous measurements of electronic transport and compressibility show that the Kondo resonance observed in the conductance is transparent to microwave photons. This reveals the predicted frozen charge dynamics in the quantum dot for this peculiar electron transport mechanism and illustrates that the many-body Kondo resonance in the conductance is associated to correlations arising from spin fluctuations of a frozen charge. A second quantum phenomenon addressed in this thesis is the possible emergence of a new quasi-particle in condensed matter, called Majorana bound state, which would be its own anti-particle. For that purpose, a ferromagnetic gate has been placed below a nanotube in order to generate a synthetic spin-orbit coupling. The observation of Andreev bound states in such a device is a first promising step towards the detection with a cQED architecture of Majorana bound states in a carbon nanotube.

The algebra of SU(2) is ubiquitous in physics, applicable both to the atomic spin states and the polarisation states of light. The method developed by Majorana and Schwinger to represent pure, symmetric spin-states of arbitrary value as a product of spin-1/2 states is a powerful tool that allows for a great conceptual and practical simplification. Foremost, it allows the representation of a qudit on the same geometry as a qubit, i.e., the Bloch sphere. An experimental implementation of the Majorana representation in the realm of quantum optics is presented. The technique allows the projection of arbitrary quantum states from a coherent state input. It is also shown that the method can be used to synthesise arbitrary interference patterns with unit visibility, and without resorting to quantum resources. In this context, it is argued that neither the shape nor the visibility of the interference pattern is a good measure of quantumness. It is only the measurement scheme that allows for the perceived quantum behaviour. The Majorana representation also proves useful in delineating uncertainty limits of states with a particular spin value. Issues with traditional uncertainty relations involving the SU(2) operators, such as trivial bounds for certain states and non-invariance, are thereby resolved with the presented pictorial solution. / <p>QC 20170428</p>

This thesis explores the theoretical representation of localised electrons in magnetic systems, using Majorana fermions. A motivation is provided for the Majorana fermion representation, which is then developed and applied as a mean-field theory and in the path-integral formalism to the Ising model in transversal-field (TFIM) in one, two and three dimensions, on an orthonormal lattice. In one dimension the development of domain walls precludes long-range order in discrete systems; this is as free energy savings due to entropy outweigh the energetic cost of a domain wall. An argument due to Peierls exists in 2D which allows the formation of domains of ordered spins amidst a disordered background, however, which may be extended to 3D. The forms of the couplings to the bosons used in the Random Phase Analysis (RPA) are considered and an explanation for the non-existence of the phases calculated in this thesis is discussed, in terms of spare degrees of freedom in the Majorana representation. This thesis contains the first known application of Majorana fermions at the RPA level.

Cette thèse comporte une analyse des données de l'expérience NEMO3 et l'étude d'un détecteur BiPo. NEMO3 recherche un signal de double désintégration bêta 2beta0nu par détection directe des 2 électrons émis, avec un trajectographe couplé à un calorimètre. J'ai étudié complètement le bruit de fond, et fourni la mesure la plus précise de la période du processus avec émission de deux électrons et deux neutrinos 2beta2nu du 130Te : T1/2(2nu) = 6,1±1,2(stat)±0,4(syst) 10^20 ans. Ce résultat contraint aussi les calculs théoriques sur la masse effective du neutrino m_betabeta du 130Te : T1/2(0nu) >5,0 10^22 ans et m_betabeta < 1,5–5,3 eV. SuperNEMO est un projet à 100 kg d'émetteurs betabeta, pour mesurer T1/2(0nu) >10^26 ans, et qui reprend le principe de détection de NEMO3 en augmentant l'efficacité et la radiopureté du détecteur, en améliorant la résolution en énergie et en réduisant le bruit de fond. Ce dernier sera finalement dû aux contaminations radioactives naturelles internes aux sources, et les exigences de radiopureté sont élevées (A(208Tl)<2 microBq/kg) et au-dessous des limites de sensibilité actuelles. La collaboration étudie un détecteur BiPo pour la mesure du 208Tl, par identification de la cascade 212Bi→212Po→208Pb. La source à mesurer est déposée entre deux plans de scintillateurs donnant les énergies et les temps. J'ai mené l'étude du prototype BiPo1, démontré la faisabilité technique, validé le principe, et déterminé la sensibilité de mesure de sources par rapport au bruit de fond. L'analyse des données de BiPo1 permet d'envisager la mesure de 5 microBq/kg en 208Tl avec BiPo, ce qui est proche des exigences pour SuperNEMO et représente un gain d'un facteur 4 par rapport aux possibilités actuelles.

Le détecteur NEMO3, installé dans le Laboratoire Souterrain de Modane, a pour but l'étude de la double désintégration bêta sans émission de neutrinos, processus dont l'observation permettrait d'affirmer que le neutrino est une particule massive de Majorana. Ce détecteur est composé de feuilles sources, très fines, centrales, d'émetteur double bêta, représentant un total de 10 kg, d'un détecteur de traces constitué de cellules de dérive fonctionnant en régime Geiger, d'un calorimètre formé de scintillateurs plastiques associés à des photomultiplicateurs, d'une bobine fournissant un champ magnétique de 30 gauss et de deux blindages permettant de réduire les flux de neutrons et de photons. Dans la première partie de cette thèse, je décris les liens unissant certains mécanismes s'inscrivant dans le cadre d'une violation trilinéaire de la R-parité à la double désintégration bêta. La seconde partie, expérimentale, est dédiée à l'étude détaillée du détecteur de traces de l'expérience : après avoir décrit les différents tests de fonctionnement, je présente la détermination des caractéristiques de la reconstruction des traces traversant le détecteur (résolutions transverse et longitudinale, par cellule Geiger et précisions sur la détermination du vertex, reconnaissance de la charge). Une dernière partie correspond à l'analyse des données acquises par l'expérience. Une limite supérieure sur l'activité des sources en 208Tl, l'une des principales sources de bruit de fond, a ainsi pu être déterminée : elle est inférieure à 68 mBq/kg à 90% de niveau de confiance. Par ailleurs, j'ai mis au point et testé sur les données une méthode d'analyse du signal de double désintégration bêta sans émission de neutrinos, basée sur un maximum de vraisemblance utilisant toute l'information disponible : cela m'a permis de déterminer une première limite supérieure, très préliminaire, sur la masse effective du neutrino.

La série de détecteurs NEMO est conçue pour la recherche de la double désintégration β sans émission de neutrino qui prouverait que le neutrino est une particule de Majorana (i.e. identique à son antiparticule) et massif. Après avoir présenté l'état des lieux en physique des neutrinos et les détecteurs NEMO 3 et SuperNEMO, cette thèse s'articule en deux parties indépendantes. La première concerne l'étude du bruit de fond provenant des neutrons pour optimiser le blindage destiné au premier module de SuperNEMO. La conclusion de cette étude montre que l'ajout de plaques de polyéthylène boré par rapport au blindage de NEMO 3 (de part et d'autre du blindage en fer) permet d'obtenir un bruit de fond négligeable provenant des neutrons, dans la fenêtre en énergie du canal deux électrons où la double désintégration β sans émission de neutrino du sélénium-82 est attendue, en cinq ans de prise de données de ce premier module. La seconde partie, via l'analyse des données du détecteur NEMO 3, permet une indication de la désintégration double β standard du néodyme-150 vers l'état excité 0+1 du samarium-150. La feuille de néodyme qui est placée dans le détecteur est analysée en détail pour obtenir cette indication à 3, 7σ avec une demi-vie mesurée de : T1/2 (150 Nd0+ →0+1 ) = [7, 12 ± 1, 28 (stat.) ± 0, 91 (syst.)] × 10E19 ans

The SNO+ experiment is a kilo-tonne scale liquid scintillator detector located at SNOLAB in Sudbury, Ontario, Canada. As the successor to the Sudbury Neutrino Observatory, SNO+ will use linear alkylbenzene (LAB) as the scintillator to study neutrinos. During the solar phase, ux measurements will be made of low energy neutrinos originating in the Sun. In another phase, 800 kg of tellurium will loaded into the scintillator to search for neutrinoless double beta decay. Measurements will also be made of neutrinos coming from nearby nuclear reactors and from inside Earth's mantle and crust. To enable these multiple physics goals, a sensitive calibration procedure must be carried out in order to fully understand the detector. The optical and energy responses of the detector will be measured with calibration sources deployed throughout the acrylic vessel. These sources must be connected to the observatory deck above the vessel by gas capillaries, optical bres, and signal wires housed in specially designed submersible umbilical cables. The design and fabrication of these umbilical cables is presented. Development work on a deployed radon calibration source will also be described. / Thesis (Master, Physics, Engineering Physics and Astronomy) -- Queen's University, 2014-05-30 15:56:19.906

Σε αυτή την εργασία μελετήθηκε η βιογεωχημεία του φυτού Origanum Majorana με σκοπό την προστασία της δημόσιας υγείας. Το είδος Origanum Majorana είναι ένα αρωματικό βότανο με ποικιλία χρήσεων, τόσο του ίδιου του φυτού όσο και του αιθέριου ελαίου που παράγεται από αυτό, σε τομείς όπως η μαγειρική και η φαρμακευτική. Παρότι οι ιδιότητες του φυτού και του αιθέριου ελαίου είναι αρκετά γνωστές, οι μελέτες που έχουν πραγματοποιηθεί για τη γεωχημεία του φυτού είναι περιορισμένες. Σε αυτή τη μελέτη καθορίστηκαν τα επίπεδα των απαραίτητων μακρο-στοιχείων N, P, K, Ca και Mg και του μικρο-στοιχείου Mn, καθώς και των τοξικών ιχνοστοιχείων Pb, Cd, As, Hg και Cr στο φυτό Origanum Majorana. Ο Hg δεν ανιχνεύθηκε ενώ το Mn φαίνεται να συσσωρεύεται σε αυτό το είδος φυτού. Από συγκρίσεις μεταξύ φυτών του είδους Origanum Majorana με διαφορετική ηλικία και διαφορετική τοποθεσία ανάπτυξης, προέκυψε ότι το είδος αυτό συσσωρεύει τοξικά μέταλλα, όταν αναπτύσσεται σε ρυπασμένο περιβάλλον (επιβάρυνση από κυκλοφορία οχημάτων και αποθέσεις οικοδομικών απορριμμάτων) και όταν αυξάνει η ηλικία του φυτού. Αυτό σημαίνει, ότι ο τόπος και τα έτη καλλιέργειας του φυτού Origanum Majorana θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη για την ασφαλή κατανάλωσή του. Οι ιδιότητες αυτές του συγκεκριμένου είδους φυτού δηλώνουν ότι το φυτό θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε διεργασίες φυτοεξυγίανσης ως βιοδείκτης ή βιοσυσσωρευτής τοξικών στοιχείων. Η ικανότητα του φυτού να συσσωρεύει βαρέα μέταλλα στους ιστούς του επηρεάζει τη χημική του σύσταση και ως εκ τούτου επιδρά άμεσα στον ανθρώπινο οργανισμό, στον οποίο εισέρχεται. Συνεπώς, για την προστασία του καταναλωτικού κοινού και της δημόσιας υγείας, είναι αναγκαία η θέσπιση νομοθετικού πλαισίου που θα διέπει την καλλιέργεια και τη διάθεση των αρωματικών φυτών και βοτάνων στην αγορά, κάτι που προς το παρόν λείπει τόσο σε εθνικό όσο και σε Κοινοτικό επίπεδο. / In this study, the biogeochemistry of the plant Origanum Majorana was investigated aiming at the protection of public health. The species Origanum Majorana is an aromatic herb with a variety of uses, both of the plant and the essential oil produced from it, in areas such as culinary and medicine. Although the properties of the plant and the essential oil are well known, studies on the geochemistry of the plant are limited. In this work the levels of essential macro elements N, P, K, Ca, Mg and micro-component Mn, and toxic trace elements Pb, Cd, As, Hg and Cr in the plant Origanum Majorana were determined. Mercury was not detected while Manganese appears to accumulate in this plant. From comparisons between plants of the genus Origanum Majorana with different ages and different sites of cultivation, showed that this species accumulate toxic metals when growing in polluted environment (loaded by cars traffic and construction waste deposits) and with increasing age of the plant. This means that the location and years of cultivation of the plant Origanum Majorana should be considered for safe consumption. These properties of the plant species indicate that the plant could be used in phytoremediation processes as a bioindicator or bioaccumulator of toxic elements. The capacity of the plant to accumulate heavy metals in tissues affects the chemical composition of the plant and thus directly affects the human body, when entered. Therefore, to protect consumers and public health, it is necessary to establish a legislative framework governing the cultivation and marketing of aromatic plants and herbs, something that currently is absent both at national or EU level.

Plantas medicinais e óleos essenciais representam um importante papel na terapêutica, tanto na cura como também na prevenção de diferentes enfermidades, sendo esta prática medicinal uma das mais antigas formas de tratamento. Devido à utilização dos óleos essenciais na terapêutica e a importância do conhecimento do pontencial de toxicidade destes, objetivou-se: (i) identificar os principais componentes químicos dos óleos essenciais de Origanum vulgare (orégano), Origanum majorana (manjerona) e Rosmarinus officinalis (alecrim); (ii) avaliar a atividade antifúngica in vitro destes óleos essenciais frente a leveduras isoladas de animais hígidos e casos clínicos; (iii) avaliar a irritação/corrosão cutânea e ocular aguda dos três óleos essenciais e (iv) avaliar a sensibilização cutânea do óleo essencial de orégano. O material vegetal foi adquirido de distribuidor comercial e encaminhado para extração do óleo essencial por hidrodestilação em Clevenger e, para análise cromatográfica através da cromatografia gasosa. Para realização dos testes in vitro foi utilizado o método de microdiluição em caldo, documento M27A3 do Clinical and Laboratory Standards Institute (CLSI) com adaptações para fitofármacos e Malassezia pachydermatis. Os óleos essenciais de orégano, manjerona e alecrim foram testados nas concentrações de 28 a 0,87mg/mL, 60 a 1,87mg/mL e 112,8 a 3,52mg/mL, respectivamente. Os testes de toxicidade in vivo foram realizados conforme a Organisation for Economic Co-operation and Development (OECD). Para os testes de irritação/corrosão cutânea (OECD 404, 2002) e ocular aguda (OECD 405, 2002) foram utilizados 24 coelhos albinos (Oryctolagus cuniculus), Nova Zelândia, machos, adultos e hígidos. Na sensibilização cutânea (OECD 406, 1992) utilizaram-se 33 cobaios (Cavia porcellus), fêmeas, adultas e hígidas. Os compostos majoritários do orégano foram timol, -terpineno e 4-terpineol; da manjerona timol, 4-terpineol e p-cimeno e; do alecrim α-pineno e 1,8 cineol. A Concentração Inibitória Mínima (CIM) e Concentração Fungicida Mínima (CFM) do óleo essencial de orégano para M. pachydermatis variaram de ≤0,87 a 7mg/mL. Para manjerona a CIM e a CFM foram de ≤1,87 a 30mg/mL e de ≤3,52 a 112,8mg/mL para o alecrim nos isolados de M. pachydermatis, Candida spp e T. asahii. Nas avaliações da irritação/corrosão cutânea do óleo essencial de orégano 3% somente um animal apresentou eritema leve nas 24h com regressão aos sete dias e, edema leve nas 72h com regressão aos sete dias. Na irritação/corrosão ocular, apenas um animal apresentou reação inflamatória nas avaliações de 24 e 48h, regredindo nas 72h. Na sensibilização cutânea, os animais responderam à indução, mas nenhum respondeu ao desafio. Nos animais tratados com óleo essencial de manjerona 6% nas 24, 48 e 72h apresentaram eritema leve, regredindo em até sete dias. Dois animais apresentaram edema leve nas 24 e 48h com remissão nas 72h e um animal permaneceu sem alterações Em dois animais do grupo alecrim 24% as lesões de eritema/escara regrediram em 21 dias. Quanto ao edema, as lesões foram consideradas reversíveis aos sete dias. Conclui-se que M. pachydermatis é sensível ao óleo essencial de orégano; que os óleos essenciais de manjerona e alecrim possuem atividade antifúngica in vitro frente a isolados de animais; o óleo essencial de orégano 3% causa irritação cutânea e ocular aguda leve e, não causa sensibilização cutânea na concentração testada. O óleo essencial de manjerona 6% causa irritação cutânea e ocular aguda leve e, o óleo essencial de alecrim 24% causa irritação cutânea e ocular aguda moderada. / Medicinal plants and essential oils represent an important therapeutic role in the cure and diseases different prevention both, this medical practice is one the oldest treatment forms. Thus, the aim was: (i) identify the main chemical components of essential oils from Origanum vulgare (oregano), Origanum majorana (marjoram) and Rosmarinus officinalis (rosemary), (ii) evaluate the in vitro antifungal activity of essential oils against yeasts isolated from healthy animals and clinical cases, (iii) evaluate the irritation/skin corrosion and acute eye of the three essential oils and (iv) assess the skin sensitization of the oregano essential oil. The plant material was purchased from commercial distributor and referred for essential oil extraction and gas chromatography. We used the method of microdilution M27-A3 with adaptations for phytochemicals and Malassezia pachydermatis. The oregano essential oils, marjoram and rosemary were tested at concentrations from 28 to 0.87 mg/mL, 60 to 1.87 mg/mL and 112.8 to 3.52 mg/mL, respectively. The in vivo toxicity tests were performed according to the Organization for Economic Co-operation and Development (OECD). The twenty-four males, adults and healthy rabbits (Oryctolagus cuniculus) were used for irritation/corrosion skin (OECD 404, 2002) and eye acute (OECD 405, 2002) tests. The thirty-three adults, females and healthy guinea pigs (Cavia porcellus) were used for sensitization skin test (OECD 406, 1992). The major compounds in oregano were thymol, α-terpinene and 4-terpineol, in marjoram were thymol, 4-terpineol, and p-cymene and in rosemary were α-pinene and 1,8 cineole. The Minimum Inhibitory Concentration (MIC) and Minimum Fungicidal Concentration (MFC) of the oregano essential oil against to M. pachydermatis were ≤ 0.87 to 7mg/mL, while the MIC and MFC of the marjoram were ≤ 1.87 to 30mg/mL. The MIC and CFM of the rosemary were ≤ 3.52 to 112.8 mg/mL against to M. pachydermatis, Candida spp and T. asahii. In the irritation/skin corrosion test, only one animal at 24h had slight erythema with regression at 7 days and slight edema at 72 h with regression to 7 days against to oregano essential oil at 3%. In the eye irritation/corrosion test, only one animal showed inflammatory reaction signs at 24 and 48h evaluates, but the assessments 72h had regressed. In the skin sensitization test, the animals responded, but anyone responded to the challenge. The treated with marjoram essential oils at 6%, the animals showed slight erythema at 24, 48 and 72h evaluate, with regression to 7 days. About to edema presentation, two animals showed moderate at 24 and 48h, with regression at 72h, only one animal without signs. The group rosemary at 24%, the erythema/eschar lesions in two animals were regression at 21 days. About the edema, the lesions were reversible for seven days. The conclusion was the sensibility of M. pachydermatis against to oregano essential oil, antifungal activity in vitro of marjoram and rosemary essential oils against animals isolates, the oregano essential oil at 3% induces skin and eye irritation slight acute and doesn’t induce skin sensitization. The marjoram essential oil at 6% induces skin and eye irritation slight acute, the rosemary essential oil at 24% induces skin and eye irritation moderate acute.

The purpose of this master thesis is to investigate theoretically the influence of a nanomagnet on the Josephson effect displayed by phase biased point contacts consisting of topological superconductors. The device is modeled using the nonequilibrium Keldysh Green’s function technique. First, the Gor’kov Green’s functions are calculated. From these Green’s functions, the quasi-classical ones, relevant for energies around the Fermi energy, are obtained. Transport properties such as charge currents are calculated and analyzed in terms of the junction’s density of states displaying Andreev and Majorana states. The combination of the nanomagnet coupling and the spin-momentum locking of the topological superconductors generates a magneto-electric effect causing the supercurrent to depend strongly on the nanomagnet’s direction.