La condensation de Bose-Einstein est prédite par Einstein en 1925 pour des particules indiscernables de spin entier, les bosons. Il s'agit d'une transition de phase vers un état quantique de cohérence macroscopique, dont la température critique dépend directement de la masse des particules. Ce n'est qu'en 1995 qu'un condensat a pu être formé en phase gazeuse en refroidissant des atomes alcalins à la température ultra-basse de 10−6 degré Kelvin, provoquant ainsi une explosion d'activités de recherche dans le monde sur le sujet. Concernant la phase solide, les excitons dans les semi-conducteurs sont<br />considérés comme le candidat le plus prometteur pour la condensation de Bose-Einstein. En e_et leur masse est cent mille fois plus légère que celle des atomes alcalins, ce qui devrait permettre leur condensation<br />à une température voisine du degré Kelvin. Cependant malgré de nombreuses études depuis une trentaine d'années, aucune preuve convaincante de l'existence de condensat d'excitons n'avait été apportée à<br />ce jour. Récemment l'attention s'est portée sur les polaritons dans les microcavités semi-conductrices contenant des puits quantiques. Une microcavité semi-conductrice à puits quantiques est une hétérostructure<br />photonique destinée à exalter l'interaction matière-rayonnement entre les excitons con_nés dans le puits quantique et les photons con_nés dans la microcavité. Lorsque l'énergie de ces photons coïncide avec<br />celle des excitons, la microcavité peut entrer dans le régime de couplage fort d'oscillations de Rabi. Les nouveaux états propres du système (microcavité-puits quantique) sont appelés polaritons qui sont des états<br />mixtes exciton-photon. Par leur nature photonique, ces bosons possèdent une masse dix mille fois plus légère que celle des excitons, un avantage certain pour l'étude de la condensation de Bose-Einstein.<br />Nous avons observé l'occupation massive de l'état fondamental du polariton, qui se développe à partir d'un nuage de polaritons thermalisés à une température de (16-20) K. La formation du condensat est accompagn<br />ée par l'apparition spontanée de la cohérence temporelle et de la cohérence spatiale à longue portée, ainsi qu'une forte polarisation linéaire. La transition d'un état thermique à un état quantique est démontrée par des mesures de la fonction de corrélation d'ordre 2 en fonction de la densité des polaritons. L'ensemble de ces observations constitue la première évidence de la condensation de Bose-Einstein en phase solide.

Dans cette thèse, on étudie la structuration des phases de la transformée de Fourier d'images naturelles, ce qui, du point de vue applicatif, débouche sur plusieurs mesures de netteté ainsi que sur des algorithmes rapides pour la synthèse de texture par l'exemple. Le Chapitre 2 présente dans un cadre unifié plusieurs modèles de champs aléatoires, notamment les champs spot noise et champs gaussiens, en prêtant une attention particulière aux représentations fréquentielles de ces champs aléatoires. Le Chapitre 3 détaille l'utilisation des champs à phase aléatoire à la synthèse de textures peu structurées (microtextures). On montre qu'une microtexture peut être résumée en une image de petite taille s'intégrant à un algorithme de synthèse très rapide et flexible via le modèle spot noise. Aussi on propose un algorithme de désocclusion de zones texturales uniformes basé sur la simulation gaussienne conditionnelle. Le Chapitre 4 présente trois mesures de cohérence globale des phases de la transformée de Fourier. Après une étude théorique et pratique établissant leur lien avec la netteté d'image, on propose un algorithme de déflouage aveugle basé sur l'optimisation stochastique de ces indices. Enfin, dans le Chapitre 5, après une discussion sur l'analyse et la synthèse directe de l'information de phase, on propose deux modèles de textures à phases cohérentes qui permettent la synthèse de textures plus structurées tout en conservant quelques garanties mathématiques simples. / This thesis deals with the Fourier phase structure of natural images, and addresses no-reference sharpness assessment and fast texture synthesis by example. In Chapter 2, we present several models of random fields in a unified framework, like the spot noise model and the Gaussian model, with particular attention to the spectral representation of these random fields. In Chapter 3, random phase models are used to perform by-example synthesis of microtextures (textures with no salient features). We show that a microtexture can be summarized by a small image that can be used for fast and flexible synthesis based on the spot noise model. Besides, we address microtexture inpainting through the use of Gaussian conditional simulation. In Chapter 4, we present three measures of the global Fourier phase coherence. Their link with the image sharpness is established based on a theoretical and practical study. We then derive a stochastic optimization scheme for these indices, which leads to a blind deblurring algorithm. Finally, in Chapter 5, after discussing the possibility of direct phase analysis or synthesis, we propose two non random phase texture models which allow for synthesis of more structured textures and still have simple mathematical guarantees.

Dans cette thèse, on étudie la structuration des phases de la transformée de Fourier d'images naturelles, ce qui, du point de vue applicatif, débouche sur plusieurs mesures de netteté ainsi que sur des algorithmes rapides pour la synthèse de texture par l'exemple. Le Chapitre 2 présente dans un cadre unifié plusieurs modèles de champs aléatoires, notamment les champs spot noise et champs gaussiens, en prêtant une attention particulière aux représentations fréquentielles de ces champs aléatoires. Le Chapitre 3 détaille l'utilisation des champs à phase aléatoire à la synthèse de textures peu structurées (microtextures). On montre qu'une microtexture peut être résumée en une image de petite taille s'intégrant à un algorithme de synthèse très rapide et flexible via le modèle spot noise. Aussi on propose un algorithme de désocclusion de zones texturales uniformes basé sur la simulation gaussienne conditionnelle. Le Chapitre 4 présente trois mesures de cohérence globale des phases de la transformée de Fourier. Après une étude théorique et pratique établissant leur lien avec la netteté d'image, on propose un algorithme de déflouage aveugle basé sur l'optimisation stochastique de ces indices. Enfin, dans le Chapitre 5, après une discussion sur l'analyse et la synthèse directe de l'information de phase, on propose deux modèles de textures à phases cohérentes qui permettent la synthèse de textures plus structurées tout en conservant quelques garanties mathématiques simples. / This thesis deals with the Fourier phase structure of natural images, and addresses no-reference sharpness assessment and fast texture synthesis by example. In Chapter 2, we present several models of random fields in a unified framework, like the spot noise model and the Gaussian model, with particular attention to the spectral representation of these random fields. In Chapter 3, random phase models are used to perform by-example synthesis of microtextures (textures with no salient features). We show that a microtexture can be summarized by a small image that can be used for fast and flexible synthesis based on the spot noise model. Besides, we address microtexture inpainting through the use of Gaussian conditional simulation. In Chapter 4, we present three measures of the global Fourier phase coherence. Their link with the image sharpness is established based on a theoretical and practical study. We then derive a stochastic optimization scheme for these indices, which leads to a blind deblurring algorithm. Finally, in Chapter 5, after discussing the possibility of direct phase analysis or synthesis, we propose two non random phase texture models which allow for synthesis of more structured textures and still have simple mathematical guarantees.

Dans cette thèse, on étudie la structuration des phases de la transformée de Fourier d'images naturelles, ce qui, du point de vue applicatif, débouche sur plusieurs mesures de netteté ainsi que sur des algorithmes rapides pour la synthèse de texture par l'exemple. Le Chapitre 2 présente dans un cadre unifié plusieurs modèles de champs aléatoires, notamment les champs spot noise et champs gaussiens, en prêtant une attention particulière aux représentations fréquentielles de ces champs aléatoires. Le Chapitre 3 détaille l'utilisation des champs à phase aléatoire à la synthèse de textures peu structurées (microtextures). On montre qu'une microtexture peut être résumée en une image de petite taille s'intégrant à un algorithme de synthèse très rapide et flexible via le modèle spot noise. Aussi on propose un algorithme de désocclusion de zones texturales uniformes basé sur la simulation gaussienne conditionnelle. Le Chapitre 4 présente trois mesures de cohérence globale des phases de la transformée de Fourier. Après une étude théorique et pratique établissant leur lien avec la netteté d'image, on propose un algorithme de déflouage aveugle basé sur l'optimisation stochastique de ces indices. Enfin, dans le Chapitre 5, après une discussion sur l'analyse et la synthèse directe de l'information de phase, on propose deux modèles de textures à phases cohérentes qui permettent la synthèse de textures plus structurées tout en conservant quelques garanties mathématiques simples. / This thesis deals with the Fourier phase structure of natural images, and addresses no-reference sharpness assessment and fast texture synthesis by example. In Chapter 2, we present several models of random fields in a unified framework, like the spot noise model and the Gaussian model, with particular attention to the spectral representation of these random fields. In Chapter 3, random phase models are used to perform by-example synthesis of microtextures (textures with no salient features). We show that a microtexture can be summarized by a small image that can be used for fast and flexible synthesis based on the spot noise model. Besides, we address microtexture inpainting through the use of Gaussian conditional simulation. In Chapter 4, we present three measures of the global Fourier phase coherence. Their link with the image sharpness is established based on a theoretical and practical study. We then derive a stochastic optimization scheme for these indices, which leads to a blind deblurring algorithm. Finally, in Chapter 5, after discussing the possibility of direct phase analysis or synthesis, we propose two non random phase texture models which allow for synthesis of more structured textures and still have simple mathematical guarantees.

Neuromodulation, such as spinal cord stimulation (SCS) and deep brain stimulation (DBS), has been shown to modulate pathophysiological brain activity and provide symptomatic therapy for several neurological disorders, including Parkinson’s Disease. The effectiveness of this therapy could likely be further improved by neuromodulation that is adaptive, delivering stimulation more selectively, by monitoring a biomarker in recorded brain signals, which indicates the presence of a pathological state. In the treatment of Parkinson’s Disease, the most commonly proposed solutions for adaptive neuromodulation are relying on excessive beta-band oscillatory activity as a biomarker, which is however often highly variable between patients during movement and in conjunction with neuromodulatory treatment, such as levodopa. These limitations hinder broader use of this biomarker and prompts further research for alternative solutions. In this work, we instead present the use of a novel feature of evoked electrophysiological activity, which utilizes the inter-trial phase coherence between stimulation pulses, to classify parkinsonian brain states in 6-OHDA lesioned rats. We developed a method, which relates to the rate of decay in inter-tral phase coherence, evoked by single SCS or DBS pulses, that is able to statistically separate experimental conditions recorded from a dopaminergic depleted hemisphere from conditions a non-depleted hemisphere, while also being able to separate conditions with levodopa treatment from conditions without treatment. For animals undergoing SCS we can classify phase decay measurements from pharmacologically treated or untreated parkinsonian states, using a Bayesian model, with a high accuracy and strong classifier performance for a single channel (AUC 0.85 – 0.99) in the motor cortex and striatum. In ongoing experiments, similar implementation of adaptive DBS is being evaluated. Our results support the implementation of our feature in a protocol aimed at performing closed-loop neuromodulation in the 6-OHDA rat model of Parkinon’s Disease, that can serve as the basis for further studies. / Neuromodulering, såsom ryggmärgsstimulering (SCS) och djup hjärnstimulering (DBS), har visat sig kunna modulera patofysiologisk hjärnaktivitet och ge symtomatisk behandling av flera neurologiska sjukdomar, inklusive Parkinsons sjukdom. Effekten av denna behandling skulle sannolikt kunna förbättras ytterligare genom neuromodulering som är adaptiv och ger stimulering mer selektivt, genom övervakning av en biomarkör i registrerade hjärnsignaler, som indikerar förekomsten av ett patologiskt tillstånd. Vid behandling av Parkinsons sjukdom förlitar sig de vanligaste lösningarna för adaptiv neuromodulering på överdriven beta-bands oscillatorisk aktivitet som en biomarkör som dock ofta är mycket varierande mellan patienter, under rörelse och i samband med behandling så som levodopa. Dessa begränsningar hindrar en bredare användning av denna biomarkör och ytterligare forskning krävs för att hitta alternativa lösningar. I detta arbete presenterar vi istället en ny egenskap hos väckt elektrofysiologisk aktivitet, som utnyttjar faskoherens mellan stimuleringspulser för att klassificera parkinsonistiska hjärntillstånd hos 6-OHDA-lesionerade råttor. Vi har utvecklat en metod som relaterar till avklingningshastigheten i faskoherens, framkallad av enstaka SCS- eller DBS-pulser, som kan statistiskt särskilja de experimentella tillstånden i en dopaminergiskt utarmad hemisfär från liknande tillstånd, fast i en icke utarmad hemisfär. Den kan även statistiskt särskilja tillstånd med levodopabehandling från tillstånd utan behandling. För djur som genomgår SCS kan vi klassificera fasförfallsmätningar från farmakologiskt behandlade eller obehandlade parkinsontillstånd, med hjälp av en Bayesiansk modell, med hög noggrannhet och stark klassificeringsprestanda för en enda kanal (AUC 0,85 - 0,99) i motorcortex och striatum. I pågående experiment utvärderas en liknande implementering av adaptiv DBS. Våra resultat stöder implementeringen av vår funktion i ett protokoll som syftar till att utföra sluten neuromodulering i 6-OHDA-råttmodellen för Parkinons sjukdom, som kan tjäna som grund för ytterligare studier.

We present the development of a novel, UHV-compatible device fabrication strategy for the realisation of nano- and atomic-scale devices in silicon by harnessing the atomic-resolution capability of a scanning tunnelling microscope (STM). We develop etched registration markers in the silicon substrate in combination with a custom-designed STM/ molecular beam epitaxy system (MBE) to solve one of the key problems in STM device fabrication ??? connecting devices, fabricated in UHV, to the outside world. Using hydrogen-based STM lithography in combination with phosphine, as a dopant source, and silicon MBE, we then go on to fabricate several planar Si:P devices on one chip, including control devices that demonstrate the efficiency of each stage of the fabrication process. We demonstrate that we can perform four terminal magnetoconductance measurements at cryogenic temperatures after ex-situ alignment of metal contacts to the buried device. Using this process, we demonstrate the lateral confinement of P dopants in a delta-doped plane to a line of width 90nm; and observe the cross-over from 2D to 1D magnetotransport. These measurements enable us to extract the wire width which is in excellent agreement with STM images of the patterned wire. We then create STM-patterned Si:P wires with widths from 90nm to 8nm that show ohmic conduction and low resistivities of 1 to 20 micro Ohm-cm respectively ??? some of the highest conductivity wires reported in silicon. We study the dominant scattering mechanisms in the wires and find that temperature-dependent magnetoconductance can be described by a combination of both 1D weak localisation and 1D electron-electron interaction theories with a potential crossover to strong localisation at lower temperatures. We present results from STM-patterned tunnel junctions with gap sizes of 50nm and 17nm exhibiting clean, non-linear characteristics. We also present preliminary conductance results from a 70nm long and 90nm wide dot between source-drain leads which show evidence of Coulomb blockade behaviour. The thesis demonstrates the viability of using STM lithography to make devices in silicon down to atomic-scale dimensions. In particular, we show the enormous potential of this technology to directly correlate images of the doped regions with ex-situ electrical device characteristics.

We present the development of a novel, UHV-compatible device fabrication strategy for the realisation of nano- and atomic-scale devices in silicon by harnessing the atomic-resolution capability of a scanning tunnelling microscope (STM). We develop etched registration markers in the silicon substrate in combination with a custom-designed STM/ molecular beam epitaxy system (MBE) to solve one of the key problems in STM device fabrication ??? connecting devices, fabricated in UHV, to the outside world. Using hydrogen-based STM lithography in combination with phosphine, as a dopant source, and silicon MBE, we then go on to fabricate several planar Si:P devices on one chip, including control devices that demonstrate the efficiency of each stage of the fabrication process. We demonstrate that we can perform four terminal magnetoconductance measurements at cryogenic temperatures after ex-situ alignment of metal contacts to the buried device. Using this process, we demonstrate the lateral confinement of P dopants in a delta-doped plane to a line of width 90nm; and observe the cross-over from 2D to 1D magnetotransport. These measurements enable us to extract the wire width which is in excellent agreement with STM images of the patterned wire. We then create STM-patterned Si:P wires with widths from 90nm to 8nm that show ohmic conduction and low resistivities of 1 to 20 micro Ohm-cm respectively ??? some of the highest conductivity wires reported in silicon. We study the dominant scattering mechanisms in the wires and find that temperature-dependent magnetoconductance can be described by a combination of both 1D weak localisation and 1D electron-electron interaction theories with a potential crossover to strong localisation at lower temperatures. We present results from STM-patterned tunnel junctions with gap sizes of 50nm and 17nm exhibiting clean, non-linear characteristics. We also present preliminary conductance results from a 70nm long and 90nm wide dot between source-drain leads which show evidence of Coulomb blockade behaviour. The thesis demonstrates the viability of using STM lithography to make devices in silicon down to atomic-scale dimensions. In particular, we show the enormous potential of this technology to directly correlate images of the doped regions with ex-situ electrical device characteristics.

The current research work aims at the development of Biomedical Neuroengineering tools (Biotechnologies) for the in-depth functional study, rapid diagnosis, continuous monitoring and well-timed management of acute and chronic brain disorders, of individuals that are subjected to or suffer from any kind of systemic hypoxaemia or more localized brain hypoxia; as well as the functional assessment and continuous control of adaptability during the training of “altinauts” and generally of individuals that practice activities and function within environments of increased visual-cognitive-motor response demands (a type of brain “stress test”). For this purpose, we subject the entire visuocognitive system, from the elementary sensory to the most complex cognitive level, to an experimental test of categorical discrimination of complex visuocognitive stimuli, following ultra-rapid visual stimulation that leads to a motor response upon categorization of targets (images of animals elicit productive responses) and to its suppression upon categorization of nontargets (images of nonanimals elicit inhibitory responses). The oscillatory electro-physiological responses that are concurrently recorded at the occipital-temporal-parietal brain areas are analyzed in the time-domain (<20Hz) and in the joint time-frequency domain broadband (1-60Hz) with the Continuous Wavelet Transform that optimizes the multiresolution analysis of the high frequency (≥20Hz) γ-band oscillatory activity. This visuocognitive categorization test takes place in normoxaemic as well as hypoxaemic conditions (monitored reduction in the blood oxygen saturation from ≥97% to around 80% under conditions of hypobaric hypoxia within a hypobaric chamber), in order to assess electrophysiological markers that can detect and capture in the most sensitive and dynamic way even so transient, short-living and rather mild changes in brain function. The statistical parametric analysis of the time-frequency maps and the generalized, statistically safer, method of analysis of variance have established as the most sensitive and reliable the following markers: the major deflections of the evoked potentials, the phase-coherence factor of the oscillations across single-trials and the elicited energy of the evoked/phase-locked and the induced/total oscillatory activity. These electrophysiological markers in conjunction with psychometric tests allow for the investigation of the stages/levels of the decline as well as of the compensatory reserves in the visual-perceptive and cognitive-mental brain functions in order to determine the functional sensitivity thresholds of different brain functions to hypoxia. They open up the way for the functional characterization, the diagnosis and monitoring of brain insults or other acute and chronic pathological brain conditions. / Η παρούσα ερευνητική εργασία στοχεύει στην ανάπτυξη εργαλείων Βιοϊατρικής Νευρομηχανικής (Βιοτεχνολογίες) για την σε βάθος λειτουργική μελέτη, ταχεία διάγνωση, συνεχή παρακολούθηση και έγκαιρη αντιμετώπιση οξέων και χρόνιων εγκεφαλικών διαταραχών, ατόμων που υπόκεινται σε ή πάσχουν από οιαδήποτε μορφή συστηματικής υποξαιμίας ή πιο εντοπισμένης εγκεφαλικής υποξίας, καθώς και για την λειτουργική αξιολόγηση και το συνεχή έλεγχο της προσαρμοστικότητας κατά την εξάσκηση των «υψιβατών», και γενικότερα ατόμων που ασκούν δραστηριότητες και λειτουργούν μέσα σε περιβάλλοντα αυξημένων οπτικο-γνωστικο-κινητικών απαιτήσεων (ένα είδος «στρες τεστ» για τον εγκέφαλο). Για το σκοπό αυτό υποβάλλουμε ολόκληρο το οπτικογνωστικό σύστημα, από το στοιχειώδες αισθητηριακό έως το πιο πολύπλοκο νοητικό επίπεδο, σε μια πειραματική δοκιμασία κατηγορικής διάκρισης σύνθετων οπτικογνωστικών ερεθισμάτων, μετά από υπερταχεία οπτική διέγερση που οδηγεί στην έκλυση κινητικής απάντησης κατά την κατηγοριοποίηση στόχων (εικόνες «ζώων» εκλύουν παραγωγικές αποκρίσεις) και στην καταστολή της κατά την κατηγοριοποίηση μη-στόχων (εικόνες «μη-ζώων» εκλύουν ανασταλτικές αποκρίσεις). Οι ταλαντωτικές ηλεκτροφυσιολογικές αποκρίσεις που συγχρόνως καταγράφονται στις ινιακές-κροταφικές-βρεγματικές περιοχές του εγκεφάλου αναλύονται στο πεδίο του χρόνου (<20Hz) και στο συζευγμένο χρονοφασματικό πεδίο ευρυζωνικά (1-60Hz) με το συνεχή μετασχηματισμό του κυματίου που βελτιστοποιεί την πολυφασματική ανάλυση της υψίσυχνης (≥20Hz) γ-ταλαντωτικής δραστηριότητας. Αυτή η δοκιμασία οπτικογνωστικής κατηγοριοποίησης λαμβάνει χώρα τόσο σε νορμοξαιμικές όσο και υποξαιμικές συνθήκες (ελεγχόμενη μείωση στον κορεσμό του αίματος σε οξυγόνο από ≥97% γύρω στο 80% για 15 λεπτά κάτω από συνθήκες υποβαρικής υποξίας μέσα σε υποβαρικό θάλαμο), προκειμένου να ελέγξουμε ηλεκτροφυσιολογικούς δείκτες που μπορούν να ανιχνεύσουν και να συλλάβουν με τον πιο ευαίσθητο και δυναμικό τρόπο ακόμη και τόσο βραχύβιες και σχετικά ήπιες μεταβολές της εγκεφαλικής λειτουργίας. Η στατιστική παραμετρική ανάλυση των χρονοφασματικών χαρτών και η γενικευμένη, στατιστικά πιο ασφαλής, μέθοδος ανάλυσης των διακυμάνσεων ανέδειξαν ως πλέον ευαίσθητους και αξιόπιστους τους ακόλουθους δείκτες: τις κύριες αιχμές των προκλητών δυναμικών, τον παράγοντα φασικής συνάφειας των ταλαντώσεων μεταξύ των μοναδιαίων καταγραφών και την εκλυόμενη ενέργεια των προκλητών/φασικά-κλειδωμένων και επαγόμενων/ολικών ταλαντώσεων. Οι ηλεκτροφυσιολογικοί αυτοί δείκτες σε συνδυασμό με ψυχομετρικές δοκιμασίες επιτρέπουν τη διερεύνηση των σταδίων/επιπέδων κάμψης καθώς και των αποθεμάτων αντιρρόπησης των οπτικο-αντιληπτικών και γνωστικών-νοητικών λειτουργιών του εγκεφάλου για τον καθορισμό των λειτουργικών ουδών ευαισθησίας διάφορων εγκεφαλικών λειτουργιών στην υποξία. Ανοίγουν μάλιστα το δρόμο. για το λειτουργικό χαρακτηρισμό, τη διάγνωση και την παρακολούθηση εγκεφαλικών προσβολών ή άλλων οξέων και χρόνιων παθολογικών καταστάσεων του εγκεφάλου.