Automatic emotion recognition has long been a focus of Affective Computing. It has become increasingly apparent that awareness of human emotions in Human-Computer Interaction (HCI) is crucial for advancing related technologies, such as dialogue systems. However, performance of current automatic emotion recognition is disappointing compared to human performance. Current research on emotion recognition in spoken dialogue focuses on identifying better feature representations and recognition models from a data-driven point of view. The goal of this thesis is to explore how incorporating prior knowledge of human emotion recognition in the automatic model can improve state-of-the-art performance of automatic emotion recognition in spoken dialogue. Specifically, we study this by proposing knowledge-inspired features representing occurrences of disfluency and non-verbal vocalisation in speech, and by building a multimodal recognition model that combines acoustic and lexical features in a knowledge-inspired hierarchical structure. In our study, emotions are represented with the Arousal, Expectancy, Power, and Valence emotion dimensions. We build unimodal and multimodal emotion recognition models to study the proposed features and modelling approach, and perform emotion recognition on both spontaneous and acted dialogue. Psycholinguistic studies have suggested that DISfluency and Non-verbal Vocalisation (DIS-NV) in dialogue is related to emotions. However, these affective cues in spoken dialogue are overlooked by current automatic emotion recognition research. Thus, we propose features for recognizing emotions in spoken dialogue which describe five types of DIS-NV in utterances, namely filled pause, filler, stutter, laughter, and audible breath. Our experiments show that this small set of features is predictive of emotions. Our DIS-NV features achieve better performance than benchmark acoustic and lexical features for recognizing all emotion dimensions in spontaneous dialogue. Consistent with Psycholinguistic studies, the DIS-NV features are especially predictive of the Expectancy dimension of emotion, which relates to speaker uncertainty. Our study illustrates the relationship between DIS-NVs and emotions in dialogue, which contributes to Psycholinguistic understanding of them as well. Note that our DIS-NV features are based on manual annotations, yet our long-term goal is to apply our emotion recognition model to HCI systems. Thus, we conduct preliminary experiments on automatic detection of DIS-NVs, and on using automatically detected DIS-NV features for emotion recognition. Our results show that DIS-NVs can be automatically detected from speech with stable accuracy, and auto-detected DIS-NV features remain predictive of emotions in spontaneous dialogue. This suggests that our emotion recognition model can be applied to a fully automatic system in the future, and holds the potential to improve the quality of emotional interaction in current HCI systems. To study the robustness of the DIS-NV features, we conduct cross-corpora experiments on both spontaneous and acted dialogue. We identify how dialogue type influences the performance of DIS-NV features and emotion recognition models. DIS-NVs contain additional information beyond acoustic characteristics or lexical contents. Thus, we study the gain of modality fusion for emotion recognition with the DIS-NV features. Previous work combines different feature sets by fusing modalities at the same level using two types of fusion strategies: Feature-Level (FL) fusion, which concatenates feature sets before recognition; and Decision-Level (DL) fusion, which makes the final decision based on outputs of all unimodal models. However, features from different modalities may describe data at different time scales or levels of abstraction. Moreover, Cognitive Science research indicates that when perceiving emotions, humans make use of information from different modalities at different cognitive levels and time steps. Therefore, we propose a HierarchicaL (HL) fusion strategy for multimodal emotion recognition, which incorporates features that describe data at a longer time interval or which are more abstract at higher levels of its knowledge-inspired hierarchy. Compared to FL and DL fusion, HL fusion incorporates both inter- and intra-modality differences. Our experiments show that HL fusion consistently outperforms FL and DL fusion on multimodal emotion recognition in both spontaneous and acted dialogue. The HL model combining our DIS-NV features with benchmark acoustic and lexical features improves current performance of multimodal emotion recognition in spoken dialogue. To study how other emotion-related tasks of spoken dialogue can benefit from the proposed approaches, we apply the DIS-NV features and the HL fusion strategy to recognize movie-induced emotions. Our experiments show that although designed for recognizing emotions in spoken dialogue, DIS-NV features and HL fusion remain effective for recognizing movie-induced emotions. This suggests that other emotion-related tasks can also benefit from the proposed features and model structure.

L'imagerie de champs magnétiques de faible amplitude avec une résolution spatiale à l'échelle nanométrique est un enjeu important dans de nombreux domaines de la physique et pour de multiples applications, que ce soit par exemple en science des matériaux pour le stockage magnétique de l'information, ou bien en optique quantique afin de pouvoir contrôler un spin individuel utilisé comme bit quantique, ou encore en biophysique pour l'étude structurelle de protéines par résonance magnétique. Dans ce contexte, cette thèse décrit la réalisation d'un magnétomètre à balayage fondé sur la réponse magnétique du spin électronique d'un centre coloré NV du diamant. Un tel magnétomètre présente des propriétés sans équivalent, en combinant une résolution spatiale sub-nanométrique, assurée par la dimension atomique du capteur, et une très haute sensibilité (< 1 µT/Hz^(-1/2)), ceci même à température ambiante. De plus la mesure de champ magnétique est quantitative et non perturbative, offrant ainsi un avantage majeur par rapport à la microscopie à force magnétique couramment utilisée pour l'imagerie magnétique de nanostructures. Nous aborderons, dans un premier temps, les problématiques liées à la fabrication de la sonde magnétique, constituée par un centre coloré NV unique dans un nanocristal de diamant positionné à l'extrémité d'une pointe AFM. Les propriétés de ce magnétomètre seront caractérisées en imageant le champ de fuite d'un disque dur magnétique. Cette étude nous permettra d'introduire différentes méthodes d'imagerie magnétique et de comparer leurs performances. Le magnétomètre à centre NV sera par la suite utilisé pour imager des distributions d'aimantation vortex dans des plots ferromagnétiques, dont le cœur est connu pour être l'un des objets les plus petits du micromagnétisme, le rendant extrêmement difficile à observer. Les propriétés du magnétomètre à centre coloré NV du diamant, démontrées dans cette thèse, ouvrent la voie à de nombreuse études en nanomagnétisme et en spintronique.

Kyoto University (京都大学) / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第16876号 / 工博第3597号 / 新制||工||1543(附属図書館) / 29551 / 京都大学大学院工学研究科分子工学専攻 / (主査)教授 白川 昌宏, 教授 佐藤 啓文, 教授 梶 弘典 / 学位規則第4条第1項該当

With the unique advantage of great isolation from the thermal environment, levitated optomechanics has emerged as a powerful platform for various fields of physics including microscopic thermodynamics, precision measurements, and quantum mechanics. Experiments with optically levitated micro- and nanoparticles have already obtained remarkable feats of zeptonewton force sensing and ground-state cooling. The novel system has also been proposed to assess various theories including the objective collapse models and macroscopic quantum mechanics. <br><div><br></div><div>This thesis reports experimental results on a levitated Cavendish torsion balance, a GHz nanomechanical rotor, and a torque sensor with unprecedented sensitivity realized with optically levitated nanoparticles in a vacuum environment. The system at room temperature achieves a sensitivity of (4.2±1.2)×10−27Nm/ √ Hz surpassing the sensitivity of most advanced nanofabricated torque sensors at cryogenic environments. Calculations suggest potential detection of Casimir torque and vacuum friction under realistic conditions. Moreover, the nanoparticles are driven into ultrafast rotations exceeding 5 GHz, which achieves the fastest humanmade nanomechanical rotor. Such fast rotations allow studies on the ultimate tensile strength of the nanoparticles as well. <br></div><div><br></div><div>Subsequently, the electron spin control of nitrogen vacancies (NV) in optically trapped diamond naoparticles is demonstrated in low vacuum. The configuration is analogous to trapped atoms and ions which serve as a quantum system with internal states. The effect of the air pressure, surrounding gas, and laser power on the electron spin resonance (ESR) are studied, and the temperature of the diamond is also measured with the ESR. The levitated nanodiamonds will provide the means to implement a hybrid spin-optomechanical system.<br></div>

Ce mémoire est divisé en deux parties indépendantes.<br /> Dans la première partie, nous étudions la dualité onde-corpuscule pour un photon unique émis par excitation impulsionnelle d'un centre coloré NV individuel dans un nanocristal de diamant. Nous présentons dans un premier temps une expérience d'interférence à un photon réalisée avec un biprisme de Fresnel et par conséquent très proche conceptuellement de l'expérience standard des trous d'Young. Cette expérience permet de discuter de la complémentarité entre interférence et connaissance du chemin suivi par la particule dans l'interféromètre. Pour pénétrer davantage dans les problèmes conceptuels soulevés par la dualité onde-corpuscule, nous décrivons ensuite la réalisation expérimentale de l'expérience de pensée de "choix retardé", qui fût proposée par J. A. Wheeler au début des années soixante-dix. <br /> La deuxième partie du mémoire est dédiée à l'amélioration des performances de sources de photons uniques. Nous décrivons ainsi la mise au point d'une nouvelle source de photons uniques fondée sur l'émission d'un centre coloré individuel à base d'impuretés de nickel dans le diamant, dont les propriétés d'émission sont bien adaptées à la cryptographie quantique en espace libre. Nous avons également mis en oeuvre une technique originale qui améliore de façon significative la photostabilité de molécules individuelles à température ambiante.

Une source de photons uniques est un émetteur lumineux capable de produire des impulsions contenant exactement un photon. Nous présentons le travail lié à la réalisation expérimentale et à la caractérisation statistique de deux types de sources de photons uniques: * Les sources déclenchées de photons uniques, reposant sur la contrôle de la fluorescence d'un émetteur individuel. Nous avons utilisé des molécules uniques ainsi que des centres colorés NV uniques du diamant comme émetteurs individuels. * Les sources de photons annoncés, reposant sur la préparation conditionnelle d'états à un photon à partir de paires de photons produites par fluorescence paramétrique dans un cristal non-linéaire. Deux des sources de photons uniques réalisées ont été utilisées dans des expériences de distribution quantique de clé, dont les résultats illustrent les avantages que procure l'utilisation d'une source de photons uniques vis-à-vis de systèmes reposant sur des impulsions cohérentes atténuées.

L'échange sécurisé d'une clé secrète entre deux interlocuteurs est une tâche compliquée. Dans un monde " classique ", il n'est pas possible de garantir qu'un espion n'a pas effectué une copie de cette clé lors de son échange. En 1984, un protocole basé sur les propriétés de la mécanique quantique a démontré la possibilité d'un échange inconditionnellement sûr d'une clé secrète entre deux interlocuteurs. Idéalement, le protocole utilise une source de photons uniques. L'information est alors codée, par exemple sur la polarisation des photons. La sécurité est garantie par un choix aléatoire de la base de polarisation (Linéaire, Circulaire). Dans ce contexte, cette étude porte sur la réalisation d'une source de photons uniques et son application à la cryptographie quantique. Une source de photons uniques est obtenue par l'excitation impulsionnelle d'un dipôle unique. Le dipôle étudié dans ce travail est le centre NV dans le cristal de diamant. Il est constitué d'un atome d'azote (N) et d'une lacune (V) en substitution dans la maille cristalline du diamant. L'étude sous excitation continue de ce dipôle, à l'aide d'un microscope confocal et d'un montage d'autocorrélation d'intensité, montre que de par sa simplicité d'utilisation et de sa photostabilité intrinsèque, il est un candidat de choix pour une source de photons uniques. En excitation impulsionnelle, on démontre que la source de photons uniques ainsi produite présente une grande efficacité de production de photons, et un très faible taux d'impulsions contenant deux photons. Finalement, cette source été utilisée dans un montage de cryptographie quantique. Après une description des dispositifs expérimentaux de l'émetteur et du récepteur, nous décrivons en détail l'échange de clé quantique. Les résultats obtenus montrent un avantage quantitatif dans le taux de pertes admissibles en ligne en comparaison avec des prototypes basés sur une source cohérente atténuée.

To fully exploit the capability of NV centers in diamond as magnetic sensors and quantum bits, the optimum production recipe as well as the method to enhance its optical performance has been studied in this work. The NV centers in bulk diamond were prepared by ion implantation and electron irradiation, and the optimum dose and temperature are found by comparing its optical and magnetic performance both experimentally and theoretically. In addition, the enhancement of optical performance and size characterization of NV centers in nanodiamonds will be discussed in this work.

We demonstrate a remarkable property of metallic Fermi liquids: the transverse conductivity assumes a universal value in the quasi-static (ω → 0) limit for wavevectors q in the regime l −1 mfp q pF, where lmfp is the mean free path and pF is the Fermi momentum. This value is (e2/h)RFS/q in two dimensions (2D), where RFS measures the local radius of curvature of the Fermi surface (FS) in momentum space. Even more surprisingly, we find that U(1) spin liquids with a spinon FS have the same universal transverse conductivity. This means such spin liquids behave effectively as metals in this regime, even though they appear insulating in standard transport experiments. Moreover, we show that transverse current fluctuations result in a universal low-frequency magnetic noise that can be directly probed by a spin qubit, such as a nitrogen-vacancy (NV) center in diamond, placed at a distance z above of the 2D metal or spin liquid. Specifically the magnetic noise is given by CωPFS/z, where PFS is the perimeter of the FS in momentum space and C is a combination of fundamental constants of nature. Therefore these observables are controlled purely by the geometry of the FS and are independent of kinematic details of the quasi-particles, such as their effective mass and interactions. This behavior can be used as a new technique to measure the size of the FS of metals and as a smoking gun probe to pinpoint the presence of the elusive spinon FS in two-dimensional systems. We estimate that this universal regime is within reach of current NV center spectroscopic techniques for several spinon FS candidate materials.

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