This work is concerned with the response of a Blasius boundary layer to dielectric-barrier-discharge (DBD) plasma actuators for the purpose of using these devices in bypass transition control. The plasma actuators consist of a spanwise-periodic array of high voltage electrodes, which are oriented to produce streamwise vortex pairs. The structure of actuator-induced streaks is measured using hot-wire anemometry over a streamwise distance of approximately 100 boundary layer thicknesses, and is decomposed into 4 spanwise Fourier modes. The modal content and corresponding streamwise growth characteristics are discussed for ten plasma actuator geometries over multiple excitation voltages and freestream velocities. Actuator power consumption was found to control the streak amplitude, whereas freestream velocity affected both amplitude and streamwise extent of the streaks. A common relationship between disturbance energy and power consumption was found among actuators of different dielectric thickness and similar electrode geometry.

The design, modeling, fabrication, and validation of an optical magnetic response in dielectric-based metamaterials are studied. These metamaterials consist of either periodic or random arrays of dielectric particle inclusions, which may be spheres, coated spheres, or completely randomly shaped. It is demonstrated that because of the simple particle shapes and dielectric materials, these metamaterials are quite easy and feasible to implement in a bulk, three-dimensional sample, and the response is isotropic. This in is contrast to other predominant designs of optical metamaterials, which are planar and anisotropic arrays of complicated metallic fishnet or split-ring resonator structures, which require stringent tolerances and sophisticated assembly. It is shown that SiC is one of many materials from which such infrared magnetic metamaterials can be constructed. A simple SiC powder is used to verify these claims. The milled micropowder of crystalline SiC is comprised of particles of random shapes and sizes. A model of the electromagnetic response of such powders is developed, whereby the induced magnetic dipole response is modeled by equivalently-sized spheres of SiC, whereas the electric dipole response is modeled by a continuous distribution of ellipsoidal particles. Infrared spectroscopic measurements and numerical calculations are performed, verifying both the magnetic and electric response of the powder. A alternate approach is also described, where uniform SiC microspheres are fabricated using more sophisticated nanochemical techniques. In the final portion of the dissertation, the mutual near-field coupling between ideal magnetic dipoles induced in dielectric spheres is studied. This is implemented for microwave frequencies using large permittivity ceramic spheres. An approximate coupled dipole model of the multiple scattering among the spheres is developed, and a transition matrix method is implemented to calculate the exact scattering by the clusters. Experimental measurements are performed, confirming the two models. The results for pairs, chains, and rings of spheres indicates that the magnetic dipole modes hybridize in analogy to atomic bonding. A notable result is that certain hybridized magnetic dipole modes may have a net electric dipole moment. The similarity to atomic and molecular bonding should prove useful in conceptualizing and designing more sophisticated metamaterials.

Optical traveling-wave resonator architectures have shown promise for the realization of many compact photonic functionalities in different research disciplines. Realizing these resonator structures in high-index contrast silicon enables dense and large scale integration of large arrays of functionalized resonators in a CMOS-compatible technology platform. Based on these motivations, the main focus of this Ph.D. research has been on the device physics, modeling, implementations, and applications of planar ultra-high Q silicon traveling-wave microresonators in a silicon-on-insulator (SOI) platform. Microdisk, microring, and racetrack resonators are the three general traveling-wave resonator architectures of interests that I have investigated in this thesis, with greater emphasis on microdisks. I have developed efficient tools for the accurate modeling of these resonators. The coupling to these resonators has been through a nano-waveguide side coupled to them. For this purpose, I have developed a systematic method for engineering a waveguide-resonator structure for optimum coupling. I have addressed the development of nanofabrication techniques for these resonators with efficient interaction with a nano-waveguide and fully compatible with active electronic integration. The outcome of the theoretical design, fabrication, and characterization of these resonators is a world-record ultra-high Q (3×10[superscript 6]) with optimum waveguide-resonator interaction. I have investigated the scaling of these resonators toward the ultimate miniaturization and its impact on different physical properties of the resonators. As a result of these investigations, I have demonstrated miniaturized Si microdisk resonators with radii of ~ 1.5 micron and Q > 10⁵ with single-mode operation over the entire large free-spectral range. This is the highest Q (~ one order more than that in previously reported data) that has been obtained for a Si microdisk resonator with this size on a SiO₂ substrate. I have employed these resonators for more advanced functionalities such as large-scale integration of resonators for spectroscopic and filtering applications, as well as the design of flat-band coupled-resonator filter structures. By proposing a systematic method of design, I have shown ultra-compact coupled-resonator filters with bandwidths ranging from 0.4 to 1 nm. I have theoretically and experimentally investigated the performance of ultra-high Q resonators at high powers and in the presence of nonlinearities. At high powers, the presence of two-photon absorption, free-carrier generation, and thermo-optic properties of silicon results in a rich dynamic in the response of the resonator. In both theory and experiment, I have predicted and demonstrated self-sustained GHz oscillation on the amplitude of an ultra-high Q resonator pumped with a continuous-wave laser.

Nous avons étudié l'action à l'échelle mésoscopique de la présence d'un supraconducteur sur la conductance d'un circuit de métal normal. Après une discussion de différentes théories concernant ce sujet, nous présentons des mesures à très basse température (20 mK) mettant en évidence l'action non locale de la supraconductivité sur la conductance métallique. Nous montrons que la conductance du métal normal est alors fortement dépendante de l'énergie des électrons, l'énergie caractéristique étant l'énergie de Thouless. Une expérience d'interférence effectuée dans la configuration Aharonov-Bohm met en évidence la portée de la cohérence quantique de paires d'électrons dans le métal normal. Nous effectuons une comparaison détaillée avec la théorie des fonctions de Green quasiclassiques. Cette comparaison met en évidence le rôle important joué par les parties extérieures de l'échantillon qui constituent les réservoirs. Nous présentons une technique originale de fabrication d'échantillons mésoscopiques hybrides de Niobium et de Cuivre. De plus, afin de pouvoir contrôler la formation des barrières tunnel, nous avons développé une vanne permettant de maîtriser l'entrée, dans un enceinte à Ultra-Vide, d'oxygène pur à partir de l'air. Nous décrivons un programme écrit en langage C++, qui permet de calculer la conductance d'un circuit hybride quelconque composé de métal normal et de supraconducteur. Dans le cas où deux supraconducteurs sont présents à des tensions différentes, l'effet Josephson alternatif module la densité d'états dans le métal normal. Nous présentons une expérience, en cours de développement, visant à mesurer les effets de ces variations de la densité d'états sur le transport.

Τα τελευταία έτη η σύνθεση και ο χαρακτηρισμός μονοδιάστατων νανοδομών αποκτά αυξανόμενο ερευνητικό ενδιαφέρον καθώς συνδυάζουν φαινόμενα από την νάνο κλίμακα με την δυνατότητα χειρισμού τους λόγω του μεγάλου μήκους τους. Εκτός από τα καθιερωμένα υλικά με αυτήν την μορφολογία όπως είναι οι νανοσωλήνες άνθρακα, οι νανοράβδοι οξειδίου του ψευδαργύρου και τα νανοκαλώδια πυριτίου μία κατηγορία υλικών που αναπτύσσει τέτοιες νανοδομές είναι τα χαλκογενή Σελήνιο και Τελλούριο γεγονός που εξηγείται από την υψηλής ανισοτροπίας κρυσταλλική τους δομή. Στόχος αυτής της εργασίας είναι η παραγωγή, μέσω φωτοαποδόμησης, νανοσωλήνων Τελλουρίου οι οποίοι μέσω φωτοοξείδωσης μετατρέπονται σε νανοκαλώδια Οξειδίου του Τελλουρίου. Η διερεύνηση της κινητικής του φαινομένου ανάλογα με το χρησιμοποιούμενο μήκος κύματος και την ένταση της ακτινοβολίας καθώς και ο χαρακτηρισμός των παραγόμενων νανοδομών γίνεται με φασματοσκοπία Raman. Τα συμπεράσματα στα οποία καταλήγουμε ενισχύονται από μία σειρά άλλων πειραματικών μεθόδων όπως περίθλαση ακτίνων Χ (XRD) και ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης και διέλευσης (SEM, TEM). / One dimensional (1D) nanostructures of semiconducting oxides and elemental chalcogens culminate over the last decade in nanotechnology owing to their unique properties exploitable in several applications sectors. Whereas several synthetic strategies have been established for rational design of 1D materials using solution chemistry and high temperature evaporation methods, much less attention has been given to the laser-assisted growth of hybrid nanostructures. Here, we present a laser-assisted method for the controlled fabrication of Te nanotubes. A series of light-driven phase transition is employed to controllably transform Te nanotubes to core-Te/sheath-TeO2 and/or even neat TeO2 nanowires. This solid-state laser-processing of semiconducting materials apart from offering new opportunities for the fast and spatially controlled fabrication of anisotropic nanostructures, provides a means of simultaneous growing and integrating these nanostructures into an optoelectronic or photonic device.

Le cytosquelette de microtubule (MT) est essentiel dans de nombreux processus cellulaire. Il est notamment impliqué dans le trafic intracellulaire, la division cellulaire, la modification et le maintien de la forme de la cellule. En fonction du type cellulaire ou de son état de différenciation, les réseaux de MTs vont adopter des architectures différentes. Ces organisations sont définies par des contraintes géométriques intracellulaires et l'activité moléculaire de nombreuses protéines associées aux MTs (MAPs). Parmi ces protéines, des membres de la famille des MAP65s ont été identifiés. In vitro, elles forment des ponts entre les MTs pour les organiser en faisceaux. Le but de mon travail de thèse a été d'étudier in vitro le rôle de MAP65s dans l'auto-organisation d'un réseau de faisceaux de MTs. Dans un premier temps, j'ai mis au point un système biomimétique utilisant la technique de " micro-patterning " qui imposent une géométrie d'assemblage pour les MTs dans des limites qui se rapprochent de celles observées dans les cellules. Cette méthode permet de contrôler précisément l'assemblage des MTs à partir de zones dont les formes, la taille et la distribution des unes par rapport aux autres sont définies. Pour valider cette technique, j'ai reconstitué des réseaux qui miment des architectures cellulaires (i.e modules du fuseau mitotique). Dans un deuxième temps j'ai étudié le rôle de MAP65s dans l'auto-organisation de réseaux de faisceaux de MTs, et plus particulièrement l'étape de co-alignement entre MTs dynamiques et dispersés. J'ai montré que MAP65-1 de plante et son orthologue chez la levure, Ase1, diminuent fortement la longueur de persistance de MTs isolés ou organisés en faisceaux. Cet assouplissement leur permet de se déformer et donc de se co-aligner pour former des faisceaux lorsqu'ils se rencontrent à des angles de rencontre élevés. L'augmentation de flexibilité est du à l'interaction du domaine de liaison de MAP65-1/Ase1 avec la lattice des MTs. Ces résultats suggèrent que la diminution de la rigidité des MTs contrôle dans les cellules l'issue des évènements des rencontres entre MTs. De façon plus générale, la modulation des propriétés mécaniques des MTs par des MAPs représente un nouveau mécanisme pour réguler la plasticité des réseaux de MTs dans les cellules eucaryotes.

One of the oldest goals across the science is to watch atoms undergo reactions in real time. However, such observations are only meaningful if the object of interest is looked at in its natural environment. For most biological and materials sciences samples, this means in solution phase or dispersed in a liquid. Unfortunately, this restriction normally prohibits either reaching atomic spatial (10-10m) or ultrafast time (10-15sec) resolution. Here, two sample preparation techniques are shown providing a natural environment for experiments with high spatial and temporal resolution: a nanofluidic cell for electron microscopy, and a chip for serial time resolved x-ray crystallography. The nanofluidic cell was implemented into different transmission electron microscopes, and in initial experiments, the key features of the sample cell are shown, namely the ability to create stable ultrathin liquid layers of tuneable thickness within the harsh electron microscope vacuum. The option to directionally flow liquid through the sample cell opens the door to high throughput electron microscopy and on-the-fly sample exchanges with the option of triggering and influencing chemical reactions with external sample control. First applications highlight the impact of the nanocell: structural disintegration of gold nanorods exemplary for materials science, and amyloid fibrils, exemplary for biomedical applications. In future applications diffractive imaging with high time resolution is planned, and will complement the range of experiments within the fields of traditional transmission electron microscopy. The second half of this thesis presents a solid target for x-ray crystallography. The chip enables the arrangement of thousands of micrometer sized protein crystals in a regular array. The ability to prepare protein crystals in such a fashion is unique and permits serial in situ crystallography. Real time crystallography requires samples to be mounted in a saturated natural environment, i.e. under ambient pressure and temperature conditions. The crystallography chip fills this need while being easily integrated into a synchrotron beam line. In a first set of experiments, the chip design was refined and could prove functionality for static in situ structure analysis of protein systems. Based on this success, future time resolved experiments are under way and will show the full capability of this device.

Metallische Nanostäbe mit einer Länge im Mikrometer-Bereich wirken als Antennen für infrarotes Licht: Indem unter Lichteinfall eine kollektive Schwingung der Leitungselektronen angeregt wird (ein sogenanntes Plasmon), wird das elektrische Feld an den Stabenden stark konzentriert. Besonders starke Feldkonzentrationen treten auf, wenn zwei Antennenarme durch eine schmale Lücke getrennt sind (Dimerantenne). Somit können die Antennen Licht-Materie-Wechselwirkungen -- wie beispielsweise die Absorption infraroten Lichtes von Molekülen -- verstärken. Dieses als oberflächenverstärkte Infrarotabsorption (SEIRA) bezeichnete Phänomen ist sehr nützlich, um Signale in der Infrarotspektroskopie zu verstärken. Diese Arbeit widmet sich der effizienten Herstellung von metallischen Nanostäben für SEIRA. Im ersten Schwerpunktthema werden Dimerantennen, die per Elektronenstrahllithographie (EBL) hergestellt wurden und eine auflösungsbegrenzte Lücke aufweisen, durch eine photochemische Reduktion von Metallsalzkomplexen nachträglich vergrößert. Dadurch verringert sich die Lückengröße und erreicht Werte deutlich unter der Auflösungsgrenze der EBL. Es wird gezeigt, dass diese photochemische Abscheidung die IR-optischen Eigenschaften der Dimerantennen durch plasmonische Kopplung entscheidend verändert. Zudem steigt die Infrarotabsorption von in der Lücke befindlichen Molekülen mit sinkender Lückengröße. Im zweiten Schwerpunktthema liegt der Fokus auf der günstigen Fabrikation einer Vielzahl von IR-Antennen in einem parallelen Prozess. Dabei werden poröse Template aus anodisiertem Aluminiumoxid (AAO) als Negativ für die herzustellenden Metallstäbe benutzt. Es wird zuerst gezeigt, dass die Poren des Templates durch die photochemische Reduktion von Goldsalzkomplexen befüllt werden können. Für eine gezielte Einstellung der Stäbchenlänge und die Generierung einer nanoskaligen Lücke wird weiterhin die elektrochemische Befüllung der Template untersucht. Die hiermit hergestellten IR-Antennen werden vereinzelt, auf ein Substrat aufgetragen und hinsichtlich ihrer Struktur und ihrer IR-optischen Eigenschaften charakterisiert. Die Vor- und Nachteile der untersuchten Herstellungsmethoden und ihre Eignung für die Fabrikation von IR-Antennen für SEIRA werden diskutiert. / Metallic nanorods with lengths in the micrometer regime act as antennas for infrared light: As incident light excites a collective oscillation of the conduction electrons (a so-called plasmon), the electric field is concentrated at the rod ends. In case two antenna arms are separated by a small gap (dimer antenna), a particularly high field concentration occurs. Thereby the antennas are capable of enhancing light-matter-interaction -- for example the absorption of infrared light by molecules. This phenomenon, termed as surface enhanced infrared absorption (SEIRA), is very useful to enhance absorption signals in infrared spectroscopy. This thesis attends to the efficient fabrication of metallic nanorods for SEIRA. The first topic in focus is the manipulation of dimer antennas fabricated by electron beam lithography (EBL), featuring a gap of resolution-limited size. By applying a photochemical reduction of metal salt complexes in solution, the dimer arms are subsequently enlarged. Thereby the gap size is reduced and reaches values clearly below the resolution limit of EBL. It is shown that the IR optical properties of dimer antennas dramatically change during photochemical metal deposition. This is due to plasmonic coupling. Additionally, the absorption of infrared light by molecules located in the gap increases with decreasing gap size. The second topic in focus is the cheap fabrication of a large number of IR antennas in a parallel process. Here, porous templates of anodized aluminum oxide (AAO) are used as a negative for the metal rods to be fabricated. Firstly, it is shown that the pores of the template can be filled by photochemical reduction of gold salt complexes. For a targeted adjustment of the rod lengths and the generation of a nanoscale gap, secondly, the electrochemical filling of acsu AAO is investigated. The IR antennas prepared by this method are extracted from the template, transferred to a substrate, and individually characterized in terms of their structure and IR optical properties. Advantages and drawbacks of the fabrication methods investigated in this work as well as their applicability to the fabrication of IR antennas for SEIRA are being discussed.

Le cytosquelette de microtubule (MT) est essentiel dans de nombreux processus cellulaire. Il est notamment impliqué dans le trafic intracellulaire, la division cellulaire, la modification et le maintien de la forme de la cellule. En fonction du type cellulaire ou de son état de différenciation, les réseaux de MTs vont adopter des architectures différentes. Ces organisations sont définies par des contraintes géométriques intracellulaires et l'activité moléculaire de nombreuses protéines associées aux MTs (MAPs). Parmi ces protéines, des membres de la famille des MAP65s ont été identifiés. In vitro, elles forment des ponts entre les MTs pour les organiser en faisceaux. Le but de mon travail de thèse a été d'étudier in vitro le rôle de MAP65s dans l'auto-organisation d'un réseau de faisceaux de MTs. Dans un premier temps, j'ai mis au point un système biomimétique utilisant la technique de « micro-patterning » qui imposent une géométrie d'assemblage pour les MTs dans des limites qui se rapprochent de celles observées dans les cellules. Cette méthode permet de contrôler précisément l'assemblage des MTs à partir de zones dont les formes, la taille et la distribution des unes par rapport aux autres sont définies. Pour valider cette technique, j'ai reconstitué des réseaux qui miment des architectures cellulaires (i.e modules du fuseau mitotique). Dans un deuxième temps j'ai étudié le rôle de MAP65s dans l'auto-organisation de réseaux de faisceaux de MTs, et plus particulièrement l'étape de co-alignement entre MTs dynamiques et dispersés. J'ai montré que MAP65-1 de plante et son orthologue chez la levure, Ase1, diminuent fortement la longueur de persistance de MTs isolés ou organisés en faisceaux. Cet assouplissement leur permet de se déformer et donc de se co-aligner pour former des faisceaux lorsqu'ils se rencontrent à des angles de rencontre élevés. L'augmentation de flexibilité est du à l'interaction du domaine de liaison de MAP65-1/Ase1 avec la lattice des MTs. Ces résultats suggèrent que la diminution de la rigidité des MTs contrôle dans les cellules l'issue des évènements des rencontres entre MTs. De façon plus générale, la modulation des propriétés mécaniques des MTs par des MAPs représente un nouveau mécanisme pour réguler la plasticité des réseaux de MTs dans les cellules eucaryotes. / The microtubule (MT) cytoskeleton is essential for many cell processes, such as the intracellular trafficking, the cell division, and the cell morphogenesis. Depending on the cell type or on its differentiation state, the MT networks will adopt different architectures. These organizations are defined by intracellular geometric constraints and the regulation of the acticity of many MT associated proteins (MAPs). Among these proteins, we get a particular interest in MAP65s family that crosslink MTs to organize them into bundles. The aim of my thesis was to study in vitro the role of MAP65s in the self-organization of MT bundles in particular networks. As a first step, I developed a biomimetic system using the micro-patterning procedure which imposes a MT assembly geometry within limits close to those observed in cells. This method allows to precisely control the MT assembly from micro-patterns with define shape, size and spatial distribution. In order to validate this technic, I reconstituted MT networks which mimic cellular architecture (i.e mitotic spindle modules). In a second time, I studied the role of major MT cross-linkers that are members of the MAP65 family in the formation of MT bundles, particularly the step of MT co-aligment after encountering of dynamic growing MTs. I found that plant MAP65-1 and its yeast ortholog, Ase1, lower the global rigidity of single MTs and MT bundles. This increase in MT flexibility is directly caused by interactions between the MAP65 MT-binding domain and the MT lattice. These data suggest that MT softening by MAP65 controls the issue of MT encounters, so that self-organized ordered MT bundles are formed in living cells. In a more general way, the modulation of MT mechanical propreties by MAPs represent a new mecanism to regulate MT networks plasticity in eukaryote cells.

Cette thèse présente une étude des propriétés de transport à basses températures de matériaux hybrides composés de nano-clusters de métaux supraconducteurs (Sn et Pb) auto-assemblés à la surface d'une feuille de graphène. L'auto-assemblage du métal réalise un réseau bi-dimensionnel désordonné de jonctions Josephson. La caractérisation des propriétés supraconductrices révèle une transition de type 'BKT' avec une température de transition dépendant de la morphologie de la surface. Les propriétés supraconductrices de ce système sont fortement influencées par la grille arrière, qui contrôle la résistance dans l'état normal du graphène. Le résultat le plus marquant de cette thèse a été obtenu en utilisant du graphène désordonné. La présence de défauts structuraux dans la maille de graphène induit un régime de localisation forte à basses températures. En faisant varier le voltage de grille, la résistance de tels échantillons peut varier de 3 ordres de grandeurs. Cette grande dynamique a été mise à contribution pour la réalisation d'une transition de phase supraconducteur-isolant dans des échantillons décorés à l'étain. L'étude de cette transition de phase quantique révèle un comportement de type percolatif et une résistivité universelle prédite par la théorie à la transition. Enfin, un travail préliminaire visant à réaliser des résonateurs mécaniques supraconducteurs à l'aide des ces matériaux hybrides est également présenté. / This thesis presents a study of the low temperature transport properties of hybrid materials made of superconducting metals (Sn and Pb) nano-clusters self-assembled onto the surface of a graphene sheet. The self-assembly realizes a two-dimensional disordered array of Josephson junctions. Characterization of the superconducting properties reveals a transition of the 'BKT' kind, with a transition temperature that depends on surface morphology. The superconducting properties are strongly affected by the gate voltage, which controls the normal state resistance of the graphene sheet. The main result of this thesis was obtained using disordered graphene. The presence of structural defects in the graphene lattice induces a regime of strong localization at low temperatures. Upon varying the gate voltage, the resistance of such samples can change by 3 orders of magnitude. Taking advantage of the large dynamics offered by the gate voltage, we have induced a superconductor-insulator transition in Sn-decorated samples. The study of that quantum phase transition reveals a percolating behavior near the threshold and the universal value of resistivity predicted by theory at the transition. Finally, a preliminary work aiming at using such an hybrid material to realize superconducting nano-electro-mechanical resonators is presented.