Les études et les résultats présentés dans ce manuscrit ont pour but de développer une meilleure compréhension des principes à la base de l'auto-organisation dans les systèmes biologiques. La théorie topologique des transitions de phase est l'un des approches possibles pour fournir une généralisation de la description des transitions de phase dans les systèmes petits ou mésoscopiques. Cette théorie a été rigoureusement enracinée dans deux théorèmes: un contre exemple à l'un de ces théorèmes a été récemment découvert. La première partie de ce manuscrit est donc consacré à mieux comprendre ce «contre-exemple » pour verifier si et comment la théorie peut être sauvé.Dans la deuxieme parte de ce manuscrit les résultats des recherches théoriques, numériques et expérimentales sur la condensation à la Fr "ohlich sont reportés. Ceci est une condition préalable à l'activation des oscillations dipolaires géantes qui entraînent des interactions électrodynamiques à long portée entre les molécules coresonnantes. Dans cette thèse, on montre que les interactions à longue portée affectent sensiblement les propriétés de diffusion des molécules en solution. Une empreinte des interactions à long portée pourrait être un phénomène de «transition» en ce qui concerne le coefficient de diffusion en fonction d'un paramètre de contrôle proportionnel à l’intensité d'interaction. Simulations analogues ont été réalisées afin de valider une approche expérimentale visant à trouver une telle «empreinte» dans les systèmes avec interactions à longue portée. / The studies and results reported in this manuscript are aimed to develop a deeper understanding of the principles at the basis of self-organization in biological system.The Topological Theory of phase transitions is one of the possible approaches to provide a generalization of description of phase transitions in small or mesoscopic systems. This theory has been rigorously rooted in two theorems: a counterexample to one of these theorems has been recently found. The first part of this manuscript is devoted to investigation of the "counterexample" to understand if and how the theory can be saved. In the second part of this manuscript the results of theoretical, numerical and experimental investigations on Fr"ohlich-like condensation for normal modes of biomolecules are reported. This is a prerequisite for the activation of giant dipole oscillations in biomolecules which entail long-range electrodynamic interactions between coresonant molecules. In this thesis is shown that long-range interactions markedly affect the self-diffusion properties of molecules in solution. A fingerprint of long-range interactions could be a "transitional" phenomenon concerning the self-diffusion coefficient as a function of a control parameter proportional to interaction strength. Analogous simulations have been performed to validate an experimental approach aimed at finding such "fingerprint" in systems with built-in long-range interactions.

L’Univers est principalement constitué d’un ensemble d’éléments non baryoniques et non lumineux appelé la matière noire. L’un des candidats actuellement favorisés est une particule massive interagissant faiblement avec la matière ordinaire (WIMP) issue du Big Bang. Le programme DarkSide vise à la détection directe de WIMPs à l’aide d’une chambre à projection temporelle utilisant de l’argon liquide en double phase. La première étape de l’expérience, DarkSide-50 ( (46 ± 0,7) kg de masse active) est en cours d’exécution. Une première campagne, avec un remplissage d’argon atmosphérique(AAr), a produit la meilleure limite sur la section efficace WIMP-nucleon jamais obtenue par une expérience à base d’argon. La deuxième phase, avec un remplissage d’argon souterrain (UAr, appauvri en Ar-39), représente une étape importante vers la construction de DarkSide-20k, une expérience à bas bruit de fond avec une masse fiducielle de 20 t. Ce travail est principalement consacré à la description de la simulation Monte Carlo de DarkSide (G4DS), et à ses applications. G4DS, basé sur GEANT4, fournit la description géométrique de chaque détecteur du programme DarkSide ; il a été calibré afin de reproduire la réponse de DarkSide-50 avec une précision de l’ordre de 1 % et intègre un modèle spécifiquement développé pour la description des mécanismes d’ionisation et de scintillation dans l’argon liquide, étalonné sur des données expérimentales. Les principales applications de la simulation comprennent l’estimation du bruit de fond dû aux neutrons et gammas pour DarkSide-50, la mesure du facteur d’appauvrissement de l’Ar-39 en UAr par rapport à l’AAr et les études de conception pour DarkSide-20k. / A wide range of observational evidence suggests that the matter content of the Universe is dominated by a non-baryonic and non-luminous component: dark matter. One of the most favored candidate for dark matter is a big-bang relic population of Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs). The DarkSide program aims to the direct detection of WIMPs with a dual-phase liquid argon TPC and a background free exposure. The first phase of the experiment, DarkSide-50, is running since Oct 2013 and has (46 ± 0.7) kg active mass. A first run, with an atmospheric argon fill (AAr), provided the most sensitive limit ever obtained by an argon-based experiment. The current run, with an underground argon fill (UAr, depleted in Ar-39), represents a milestone towards the construction of DarkSide-20k, a low-background dual-phase TPC with a fiducial mass of 20 t. This work is been mainly devoted to the description of G4DS, the DarkSide Monte Carlo simulation, and to its applications. G4DS is a GEANT4-based simulation, it provides the geometry description of each detector of the DarkSide program, it is tuned to reproduce the DarkSide-50 response at the percent level and incorporates a custom model for ionization and scintillation mechanisms in liquid argon, tuned on real data. The principal applications of the simulation include the estimate of the neutron and gamma backgrounds for DarkSide-50, the measurement of the Ar-39 depletion factor in UAr with respect to AAr and the design studies for DarkSide-20k.

Le développement technologique dans le domaine des télécommunications, ainsi que des systèmes de détection, a accru ces dernières années la nécessité de signaux de référence présentant une très haute pureté spectrale. L'augmentation des débits, la saturation des bandes de fréquence ainsi que les performances imposées pour la détection radar ont ouvert la voie à la génération micro-onde par l'optique. Ces références de fréquence sont souvent issues d'oscillateurs optoélectroniques (OEO). Ces oscillateurs intègrent un élément de stockage de l'énergie au travers de résonateurs ou de longues lignes à retard fibrées afin d'augmenter leur facteur qualité et permettant ainsi d'atteindre des performances supérieures aux signaux multipliés à partir de sources basses fréquences ou directement à partir d'oscillateurs micro-ondes à résonateur diélectrique (DRO). Une topologie originale d'oscillateurs optoélectroniques a été proposée à la fin des années 1990 par une équipe américaine : il s'agit de remplacer le résonateur passif nécessitant un verrouillage du laser sur ce dernier par un résonateur actif, intégrant un amplificateur optique. Ce résonateur actif, un laser à blocage de modes, permet un couplage entre l'oscillation optique du laser et l'oscillation optoélectronique. On parle alors d'oscillateur optoélectronique couplé (COEO). Les performances du COEO sont étroitement liées à la pureté spectrale du signal issu du laser à blocage de modes. Ce travail de thèse traite de l'étude et de l'optimisation de ces systèmes. Une étude approfondie sur le bruit dans les amplificateurs optiques a tout d'abord été menée afin de déterminer quel type d'amplificateur choisir pour le COEO et sous quelles conditions l'amplification optique apporte un bruit de phase minimal. Ensuite, un COEO à 10 GHz a été réalisé, présentant un très faible bruit de phase atteignant - 132 dBc/Hz à 10 kHz de la porteuse. Un modèle a par ailleurs été implémenté, permettant de déterminer a posteriori l'efficacité du couplage et ainsi la bande de verrouillage entre l'oscillation optoélectronique et le laser à blocage de modes. Ce couplage interne dépend fortement de la dynamique du système. Cependant, les différents effets non linéaires qui ont lieu dans l'amplificateur à semiconducteur et les fibres ne permettent pas d'obtenir un modèle analytique. Un modèle itératif a alors été proposé afin d'obtenir les propriétés de l'enveloppe complexe lentement variable du peigne de fréquence généré en sortie du laser dont la photodétection conduit à la puissance RF générée par le COEO. Le COEO génère un peigne de fréquence suffisamment large pour produire des harmoniques RF supérieurs à la fréquence de répétition du laser à blocage de modes, si les modes longitudinaux espacés de plusieurs intervalles spectraux libres (ISL) sont en phase. Le modèle itératif développé permet, à partir des paramètres expérimentaux de déterminer le spectre optique ainsi que la distribution de phase à l'intérieur de celui-ci. Il est possible alors d'augmenter la puissance d'une harmonique en sortie de la photodiode par un ajout d'éléments dispersifs. Cette multiplication de fréquence permet la génération de signaux à haute pureté spectrale en bande millimétrique. Une démonstration expérimentale à 90 GHz a été proposée, basée sur un COEO fonctionnant à 30 GHz. Ces résultats sont prometteurs et une intégration du COEO dans un boîtier thermalisé ainsi qu'une gestion plus fine de la dispersion des fibres peut permettre des améliorations significatives sur le bruit de phase du système. / The important rise of telecommunication systems in the past decades, together with the sensitivity improvement of radar systems, has increased the necessity for high spectral purity frequency references at high frequencies. The saturation of classical microwave bandwidths motivated the search of frequency references at higher frequencies, such as K-band. Frequency multiplication from highly stable sources, such as quartz sources, is limited by the increase of the noise floor, which is often prohibitive at millimeter wave frequencies. On the contrary, microwave generation using optics becomes a very efficient technique in this frequency range. Indeed, passive optical resonators or delay lines feature a high Q factor which can be used to stabilize the microwave frequency. The best phase noise performance is today obtained with long delay line oscillators. However, a spurious mode suppression technique has to be implemented in this type of OEOs. The use of an active optical resonator is a third solution, which avoids any locking technique between the laser and the passive resonator. The first architecture of this type has been proposed at the end of the 1990's. In such a system, a mode-locked laser is coupled to a microwave oscillator (COEO). COEO phase noise performances are strongly dependent on the spectral purity of the mode locked laser signal. This thesis work focus on the study and the optimization of this system. Optical amplifiers noise is firstly investigated, in order to determine the optimal conditions to minimize their phase noise contribution to the COEO. A 10 GHz SOA based COEO has been realized and features a low phase noise level reaching - 132 dBc/Hz at 10 kHz from the carrier. An analytical model has also been developed to obtain the locking range of the coupled oscillations. This frequency range is strongly dependent on the coupling efficiency between optical oscillation and the optoelectronic oscillation. This parameter cannot be calculated analytically and an iterative model has been proposed to determine the amplitude and phase of the optical spectrum. Therefore, one can calculate the RF power on the photodiode, on which the coupling efficiency is depending. Since COEO features a large optical frequency comb where each tooth of the comb is phase locked thanks to the mode locked laser, harmonic generation from COEO is possible. Wide frequency comb from high frequency COEO allow millimeter wave generation. The iterative model developed in this work enable to determine the RF power of one specified harmonic from experimental parameters. Harmonic selection can also be performed through the management of the chromatic dispersion. Such frequency multiplication has been implemented to generate a high purity 90 GHz signal from a 30 GHz COEO.These results are promising and an integration of the system in a thermalized box is under process.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第18779号 / 理博第4037号 / 新制||理||1581(附属図書館) / 31730 / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 川上 則雄, 教授 佐々 真一, 教授 前野 悦輝 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(エネルギー科学) / 甲第19093号 / エネ博第317号 / 新制||エネ||64(附属図書館) / 32044 / 京都大学大学院エネルギー科学研究科エネルギー変換科学専攻 / (主査)教授 木村 晃彦, 教授 星出 敏彦, 教授 今谷 勝次 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Energy Science / Kyoto University / DFAM

権利表示を行うこと, 出典表示を行うこと, 出版社版へのリンクを表示すること / 京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第19488号 / 理博第4148号 / 新制||理||1596(附属図書館) / 32524 / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 大西 明, 准教授 菅沼 秀夫, 教授 田中 貴浩 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第20915号 / 理博第4367号 / 新制||理||1627(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)准教授 菅沼 秀夫, 教授 田中 貴浩, 教授 川合 光 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(情報学) / 甲第21213号 / 情博第666号 / 新制||情||115(附属図書館) / 京都大学大学院情報学研究科先端数理科学専攻 / (主査)講師 青柳 富誌生, 教授 西村 直志, 准教授 田口 智清, 講師 水原 啓暁 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Informatics / Kyoto University / DFAM

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